TY  - THES
A1  - Kuckländer, Nina
T1  - Synchronization via correlated noise and automatic control in ecological systems
T1  - Synchronisation in ökologischen Systemen durch korreliertes Rauschen und automatische Kontrolle
N2  - <img src="http://vg00.met.vgwort.de/na/806c85cec18906a64e06" width="1" height="1" alt=""> Subject of this work is the possibility to synchronize nonlinear systems via correlated noise and automatic control. The thesis is divided into two parts. The first part is motivated by field studies on feral sheep populations on two islands of the St. Kilda archipelago, which revealed strong correlations due to environmental noise. For a linear system the population correlation equals the noise correlation (Moran effect). But there exists no systematic examination of the properties of nonlinear maps under the influence of correlated noise. Therefore, in the first part of this thesis the noise-induced correlation of logistic maps is systematically examined. For small noise intensities it can be shown analytically that the correlation of quadratic maps in the fixed-point regime is always smaller than or equal to the noise correlation. In the period-2 regime a Markov model explains qualitatively the main dynamical characteristics. Furthermore, two different mechanisms are introduced which lead to a higher correlation of the systems than the environmental correlation. The new effect of "correlation resonance" is described, i. e. the correlation yields a maximum depending on the noise intensity.  In the second part of the thesis an automatic control method is presented which synchronizes different systems in a robust way. This method is inspired by phase-locked loops and is based on a feedback loop with a differential control scheme, which allows to change the phases of the controlled systems. The effectiveness of the approach is demonstrated for controlled phase synchronization of regular oscillators and foodweb models.
N2  - Gegenstand der Arbeit ist die Möglichkeit der Synchronisierung von nichtlinearen Systemen durch korreliertes Rauschen und automatische Kontrolle. Die Arbeit gliedert sich in zwei Teile. Der erste Teil ist motiviert durch Feldstudien an wilden Schafspopulationen auf zwei Inseln des St. Kilda Archipels, die starke Korrelationen aufgrund von Umwelteinflüssen zeigen. In einem linearen System entspricht die Korrelation der beiden Populationen genau der Rauschkorrelation (Moran-Effekt). Es existiert aber noch keine systematische Untersuchung des Verhaltens nichtlinearer Abbildungen unter dem Einfluss korrelierten Rauschens. Deshalb wird im ersten Teils dieser Arbeit systematisch die rauschinduzierte Korrelation zweier logistischer Abbildungen in den verschiedenen dynamischen Bereichen untersucht. Für kleine Rauschintensitäten wird analytisch gezeigt, dass die Korrelation von quadratischen Abbildungen im Fixpunktbereich immer kleiner oder gleich der Rauschkorrelation ist. Im Periode-2 Bereich beschreibt ein Markov-Modell qualitativ die wichtigsten dynamischen Eigenschaften. Weiterhin werden zwei unterschiedliche Mechanismen vorgestellt, die dazu führen, dass die beiden ungekoppelten Systeme stärker als ihre Umwelt korreliert sein können. Dabei wird der neue Effekt der "correlation resonance" aufgezeigt, d. h. es ergibt sich eine Resonanzkurve der Korrelation in Abbhängkeit von der Rauschstärke.  Im zweiten Teil der Arbeit wird eine automatische Kontroll-Methode präsentiert, die es ermöglicht sehr unterschiedliche Systeme auf robuste Weise in Phase zu synchronisieren. Die Methode ist angelehnt an Phase-locked-Loops und basiert auf einer Rückkopplungsschleife durch einen speziellen Regler, der es erlaubt die Phasen der kontrollierten Systeme zu ändern. Die Effektivität dieser Methode zur Kontrolle der Phasensynchronisierung wird an regulären Oszillatoren und an Nahrungskettenmodellen demonstriert.
KW  - Markov-Prozess
KW  - Kontrolltheorie
KW  - Synchronisierung
KW  - Nichtlineare Dynamik
KW  - Theoretische Ökologie
KW  - Moran-Effekt
KW  - Stochastische Prozesse
KW  - Moran effect
KW  - Markov process
KW  - Theoretical ecology
KW  - Synchronisation
KW  - Nonlinear Dynamics
Y1  - 2006
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-10826
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kühn, Danilo
T1  - Synchrotron-based angle-resolved time-of-flight electron spectroscopy for dynamics in dichalogenides
Y1  - 2018
ER  - 
TY  - THES
A1  - Raman Venkatesan, Thulasinath
T1  - Tailoring applications-relevant properties in poly(vinylidene fluoride)-based homo-, co- and ter-polymers through modification of their three-phase structure
T1  - Maßgeschneiderte anwendungsrelevante Eigenschaften in Homo-, Ko- und Ter-Polymeren auf der Basis von Poly(vinylidenfluorid) durch Modifikation ihrer Dreiphasenstruktur
N2  - Poly(vinylidene fluoride) (PVDF)-based homo-, co- and ter-polymers are well-known for their ferroelectric and relaxor-ferroelectric properties. Their semi-crystalline morphology consists of crystalline and amorphous phases, plus interface regions in between, and governs the relevant electro-active properties. In this work, the influence of chemical, thermal and mechanical treatments on the structure and morphology of PVDF-based polymers and on the related ferroelectric/relaxor-ferroelectric properties is investigated. Polymer films were prepared in different ways and subjected to various treatments such as annealing, quenching and stretching. The resulting changes in the transitions and relaxations of the polymer samples were studied by means of dielectric, thermal, mechanical and optical techniques. In particular, the origin(s) behind the mysterious mid-temperature transition (T_{mid}) that is observed in all PVDF-based polymers was assessed. A new hypothesis is proposed to describe the T_{mid} transition as a result of multiple processes taking place within the temperature range of the transition.  The contribution of the individual processes to the observed overall transition depends on both the chemical structure of the monomer units and the processing conditions which also affect the melting transition. Quenching results in a decrease of the overall crystallinity and in smaller crystallites. On samples quenched after annealing, notable differences in the fractions of different crystalline phases have been observed when compared to samples that had been slowly cooled. Stretching of poly(vinylidene fluoride-tetrafluoroethylene) (P(VDF-TFE)) films causes an increase in the fraction of the ferroelectric β-phase with simultaneous increments in the melting point (T_m) and the crystallinity (\chi_c) of the copolymer. While an increase in the stretching temperature does not have a profound effect on the amount of the ferroelectric phase, its stability appears to improve.
Measurements of the non-linear dielectric permittivity \varepsilon_2^\prime in a poly(vinylidenefluoride-trifluoroethylene-chlorofluoroethylene) (P(VDF-TrFE- CFE)) relaxor-ferroelectric (R-F) terpolymer reveal peaks at 30 and 80 °C that cannot be identified in conventional dielectric spectroscopy. The former peak is associated with T_{mid}\ and may help to understand the non-zero \varepsilon_2^\prime values that are found for the paraelectric terpolymer phase. The latter peak can also be observed during cooling of P(VDF-TrFE) copolymer samples at 100 °C and is due to conduction processes and space-charge polarization as a result of the accumulation of real charges at the electrode-sample interface. Annealing lowers the Curie-transition temperature of the terpolymer as a consequence of its smaller ferroelectric-phase fraction, which by default exists even in terpolymers with relatively high CFE content. Changes in the transition temperatures are in turn related to the behavior of the hysteresis curves observed on differently heat-treated samples. Upon heating, the hysteresis curves evolve from those known for a ferroelectric to those of a typical relaxor-ferroelectric material. Comparing dielectric-hysteresis loops obtained at various temperatures, we find that annealed terpolymer films show higher electric-displacement values and lower coercive fields than the non-annealed samples − irrespective of the measurement temperature − and also exhibit ideal relaxor-ferroelectric behavior at ambient temperatures, which makes them excellent candidates for related applications at or near room temperature. However, non-annealed films − by virtue of their higher ferroelectric activity − show a larger and more stable remanent polarization at room temperature, while annealed samples need to be poled below 0 °C to induce a well-defined polarization. Overall, by modifying the three phases in PVDF-based polymers, it has been demonstrated how the preparation steps and processing conditions can be tailored to achieve the desired properties that are optimal for specific applications.
N2  - Homo-, Ko- und Terpolymere auf der Basis von Poly(vinylidenfluorid) (PVDF) sind für ihre ferroelektrischen und relaxor-ferroelektrischen Eigenschaften bekannt. Die teilkristalline Morphologie dieser Fluorpolymere, bestehend aus kristallinen und amorphen sowie den dazwischen liegenden Grenzflächen, bestimmt die relevanten elektroaktiven Eigenschaften. In dieser Arbeit wird der Einfluss chemischer, thermischer und mechanischer Behandlungen auf die Struktur und Morphologie von  Polymeren der PVDF-Familie untersucht, die wiederum direkt mit den ferroelektrischen/relaxor-ferroelektrischen Eigenschaften zusammenhängen. Daher wurden Polymerfilme mit verschiedenen Methoden hergestellt und vielfältigen Prozessschritten wie z.B. Tempern, Abschrecken und Recken unterzogen. Die sich daraus ergebenden Veränderungen bei Phasenübergängen und Relaxationen in den Proben wurden mit dielektrischen, thermischen, mechanischen und optischen Verfahren untersucht. Insbesondere wurden die Ursachen für den mysteriösen Übergang bei mittleren Temperaturen (T_{mid}) untersucht, der an allen PVDF-basierten Polymeren beobachtet werden kann. Es wurde eine neue Hypothese aufgestellt, die den T_{mid}-Übergang als Ergebnis mehrerer Prozesse beschreibt, die innerhalb eines Temperaturbereichs mehr oder weniger gleichzeitig ablaufen. Der Beitrag dieser einzelnen Übergänge zum Gesamtübergang hängt sowohl von der chemischen Struktur der Monomereinheiten als auch von den Verarbeitungsbedingungen ab. Die verschiedenen Verarbeitungsbedingungen wirken sich auch auf den Schmelzübergang der Polymere aus. Der Prozess des Abschreckens führt zu einer Abnahme der Gesamtkristallinität mit einer geringeren Kristallitgröße. Bei Proben, die nach dem Tempern abgeschreckt wurden, werden im Vergleich zu Proben, die langsam aus dem getemperten Zustand abgekühlt wurden, bemerkenswerte Unterschiede im Anteil der verschiedenen kristallinen Phasen festgestellt. Das Recken von Poly(vinylidenfluorid-Tetrafluorethylen) (P(VDF-TFE))-Filmen führt zu einem Anstieg des Anteils der ferroelektrischen β-Phase bei gleichzeitiger Erhöhung von Schmelzpunkt (T_m) und Kristallinität (\chi_c) des Kopolymers. Während eine Erhöhung der Strecktemperatur keinen tiefgreifenden Einfluss auf die Menge der ferroelektrischen Phase hat, scheint sich die Stabilität der ferroelektrischen Phase zu verbessern.
Messungen der nichtlinearen dielektrischen Dielektrizitätskonstante \varepsilon_2^\prime zeigen in einem relaxor-ferroelektrischen (R-F) Terpolymer aus Poly(vinylidenfluorid-trifluorethylen-chlorfluorethylen) (P(VDF-TrFE- CFE)) Maxima bei 30 und 80 °C, die in der herkömmlichen dielektrischen Spektroskopie nicht identifiziert werden können. Das erste Maximum hängt mit T_{mid}\ zusammen und kann dabei helfen, die von Null verschiedenen \varepsilon_2^\prime-Werte zu verstehen, die an der paraelektrischen Phase des Terpolymers beobachtet werden. Das zweite Maximum kann auch während des Abkühlens von P(VDF-TrFE)-Kopolymerproben bei 100 °C beobachtet werden und ist auf elektrische Leitungsprozesse und Raumladungspolarisationen infolge der Ansammlung von realen Ladungen an den Grenzflächen der Elektroden zum Polymermaterial zurückzuführen. Das Tempern verringert die Curie-Übergangstemperatur des Terpolymers als Folge der Verringerung des ferroelektrischen Phasenanteils, der standardmäßig sogar in Terpolymeren mit relativ hohem CFE-Gehalt vorhanden ist. Die Änderungen der Übergangstemperaturen stehen wiederum im Zusammenhang mit dem Verhalten der Hysteresekurven bei unterschiedlich wärmebehandelten Proben. Während der Erwärmung kommt es zu einer deutlichen Veränderung der Hysteresekurven von einem typisch ferroelektrischen Verhalten hin zu relaxor-ferroelektrischem Verhalten. Vergleicht man die bei verschiedenen Temperaturen beobachteten dielektrischen Hystereseschleifen, so stellt man fest, dass getemperte Terpolymerfilme - unabhängig von der Messtemperatur - höhere dielektrische Verschiebungen und niedrigere Koerzitivfelder aufweisen als nicht getemperte Proben und dass sie auch bei Raumtemperatur ein ideales relaxor-ferroelektrisches Verhalten zeigen, was sie zu ausgezeichneten Kandidaten für Anwendungen in der Nähe der Raumtemperatur macht. Allerdings zeigen nicht getemperte Filme aufgrund ihrer höheren Ferroelektrizität einen höheren und stabilen Wert der remanenten Polarisation bei Raumtemperatur, während getemperte Proben unter 0 °C gepolt werden müssen, um eine eindeutige Polarisation aufzuweisen. Insgesamt konnte gezeigt werden, dass durch die Modifizierung der drei Phasen in PVDF-basierten Polymeren die Präparationsschritte und Verarbeitungsbedingungen so angepasst werden können, dass die gewünschten Eigenschaften für bestimmte Anwendungen optimal sind.
KW  - PVDF-based polymers
KW  - structure-property relationships
KW  - ferroelectric polymers
KW  - relaxor-ferroelectric polymers
KW  - mid-temperature transition
KW  - Polymere auf PVDF-Basis
KW  - ferroelektrische Polymere
KW  - Mitteltemperaturübergang
KW  - Relaxor-ferroelektrische Polymere
KW  - Struktur-Eigenschafts-Beziehungen
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-549667
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TY  - THES
A1  - Jechow, Andreas
T1  - Tailoring the emission of stripe-array diode lasers with external cavities to enable nonlinear frequency conversion
T1  - Maßgeschneiderte Emission aus Breitstreifenlasern mit externen Resonatoren zur Ermöglichung nichtlinearer Frequenzkonversion
N2  - A huge number of applications require coherent radiation in the visible spectral range. Since diode lasers are very compact and efficient light sources, there exists a great interest to cover these applications with diode laser emission. Despite modern band gap engineering not all wavelengths can be accessed with diode laser radiation. Especially in the visible spectral range between 480 nm and 630 nm no emission from diode lasers is available, yet. Nonlinear frequency conversion of near-infrared radiation is a common way to generate coherent emission in the visible spectral range. However, radiation with extraordinary spatial temporal and spectral quality is required to pump frequency conversion. Broad area (BA) diode lasers are reliable high power light sources in the near-infrared spectral range. They belong to the most efficient coherent light sources with electro-optical efficiencies of more than 70%. Standard BA lasers are not suitable as pump lasers for frequency conversion because of their poor beam quality and spectral properties. For this purpose, tapered lasers and diode lasers with Bragg gratings are utilized. However, these new diode laser structures demand for additional manufacturing and assembling steps that makes their processing challenging and expensive. An alternative to BA diode lasers is the stripe-array architecture. The emitting area of a stripe-array diode laser is comparable to a BA device and the manufacturing of these arrays requires only one additional process step. Such a stripe-array consists of several narrow striped emitters realized with close proximity. Due to the overlap of the fields of neighboring emitters or the presence of leaky waves, a strong coupling between the emitters exists. As a consequence, the emission of such an array is characterized by a so called supermode. However, for the free running stripe-array mode competition between several supermodes occurs because of the lack of wavelength stabilization. This leads to power fluctuations, spectral instabilities and poor beam quality. Thus, it was necessary to study the emission properties of those stripe-arrays to find new concepts to realize an external synchronization of the emitters. The aim was to achieve stable longitudinal and transversal single mode operation with high output powers giving a brightness sufficient for efficient nonlinear frequency conversion. For this purpose a comprehensive analysis of the stripe-array devices was done here. The physical effects that are the origin of the emission characteristics were investigated theoretically and experimentally. In this context numerical models could be verified and extended. A good agreement between simulation and experiment was observed. One way to stabilize a specific supermode of an array is to operate it in an external cavity. Based on mathematical simulations and experimental work, it was possible to design novel external cavities to select a specific supermode and stabilize all emitters of the array at the same wavelength. This resulted in stable emission with 1 W output power, a narrow bandwidth in the range of 2 MHz and a very good beam quality with M²<1.5. This is a new level of brightness and brilliance compared to other BA and stripe-array diode laser systems. The emission from this external cavity diode laser (ECDL) satisfied the requirements for nonlinear frequency conversion. Furthermore, a huge improvement to existing concepts was made. In the next step newly available periodically poled crystals were used for second harmonic generation (SHG) in single pass setups. With the stripe-array ECDL as pump source, more than 140 mW of coherent radiation at 488 nm could be generated with a very high opto-optical conversion efficiency. The generated blue light had very good transversal and longitudinal properties and could be used to generate biphotons by parametric down-conversion. This was feasible because of the improvement made with the infrared stripe-array diode lasers due to the development of new physical concepts.
N2  - Für eine Vielzahl von interessanten Anwendungen z.B. in den Lebenswissenschaften werden kohärente Strahlquellen im sichtbaren Spektralbereich benötigt. Diese Strahlquellen sollen sich durch eine hohe Effizienz (d.h. Sparsamkeit), Mobilität und eine hohe Güte des emittierten Lichtes auszeichnen. Im Idealfall passt die Lichtquelle in die Hosentasche und kann mit herkömmlichen Batterien betrieben werden. Diodenlaser sind solche kleinen und sehr effizienten Strahlquellen. Sie sind heutzutage allgegenwärtig, begegnen uns in CD-Playern, Laserdruckern oder an Supermarktkassen im täglichen Leben. Diodenlaser zeichnen sich durch ihren extrem hohen Wirkungsgrad aus, da hier elektrischer Strom direkt in Licht umgewandelt wird. Jedoch können bisher noch nicht alle Wellenlängen im sichtbaren Bereich mit diesen Lasern realisiert werden. Eine Möglichkeit, diesen Wellenlängenbereich über einen Umweg zu erreichen, ist Frequenzkonversion von infrarotem in sichtbares Licht mit sogenannten nichtlinearen optischen Kristallen. Dies ist im Prinzip auch mit Diodenlasern möglich, konnte bisher jedoch nur sehr ineffizient oder mit erheblichem Aufwand umgesetzt werden. Allerdings kann mit Hilfe von externen Resonatoren die Emission solcher Standard-Laserdioden maßgeblich beeinflusst und die Qualität des Lichtes erheblich verbessert werden. Hier setzt die Zielsetzung dieser Arbeit an: Das Licht von infraroten Hochleistungslaserdioden, sogenannten „Streifen-Arrays“, sollte durch einen externen Resonator stabilisiert und für die Frequenzverdopplung erschlossen werden. Diese Arrays bestehen aus mehreren dicht nebeneinander angeordneten Einzelemittern und zeichnen sich dadurch aus, dass eine Kopplung dieser Emitter von außen möglich ist. Im ersten Schritt sollte eine solche Synchronisation der Emitter erreicht werden. In einem zweiten Schritt soll das von außen beeinflusste Licht des Arrays mit einer hohen Effizienz in sichtbares (blaues) Licht konvertiert werden um den Wirkungsgrad der Diodenlaser voll auszunutzen. Dafür war es notwendig die Physik der Streifen-Arrays sorgfältig zu untersuchen. Es mussten Methoden entwickelt werden, durch die eine gezielte Beeinflussung der Emitter möglich ist, damit es zu einer globalen Kopplung und Synchronisation der Array Emitter kommt. Dafür wurden mit Hilfe von mathematischen Modellierungen und Experimenten verschiedene Resonatorkonzepte entwickelt und realisiert. Schlussendlich war es möglich, die Emissionseigenschaften der Arrays um mehrere Größenordnungen zu verbessern und sehr effizient kohärentes blaues Licht sehr hoher Güte zu erzeugen. In einem weiteren Experiment ist es zusätzlich gelungen nichtklassisches Licht bzw. Paarphotonen zu generieren, die ebenfalls interessant für die Lebenswissenschaften sind.
KW  - Diodenlaser
KW  - Frequenzkonversion
KW  - Kopplung
KW  - Modellierung
KW  - externe Resonatoren
KW  - diode-lasers
KW  - diode-laser-arrays
KW  - external cavities
KW  - modeling
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-39653
SN  - 978-3-86956-031-1
PB  - Universitätsverlag Potsdam
CY  - Potsdam
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TY  - THES
A1  - Dixit, Sneha
T1  - Tension-induced conformational changes of the Piezo protein-membrane nano-dome
N2  - Mechanosensation is a fundamental biological process that provides the basis for sensing touch and pain as well as for hearing and proprioception. A special class of ion-channel proteins known as mechanosensitive proteins convert the mechanical stimuli into electrochemical signals to mediate this process. Mechanosensitive proteins undergo conformational changes in response to mechanical force, which eventually leads to the opening of the proteins' ion channel. Mammalian mechanosensitive proteins remained a long sought-after mystery until 2010 when a family of two proteins - Piezo1 and Piezo2 - was identifed as mechanosensors [1]. The cryo-EM structures of Piezo1 and Piezo2 protein were resolved in the last years and reveal a propeller-shaped homotrimer with 114 transmembrane helices [2, 3, 4, 5]. The protein structures are curved and have been suggested to deform the surrounding membrane into a nano-dome, which mechanically responds to membrane tension resulting from external forces [2]. In this thesis, the conformations of membrane-embedded Piezo1 and Piezo2 proteins and their tension-induced conformational changes are investigated using molecular dynamics simulations. Our coarse-grained molecular dynamics simulations show that the Piezo proteins induce curvature in the surrounding membrane and form a stable protein-membrane nano-dome in the tensionless membrane. These membrane-embedded Piezo proteins, however, adopt substantially less curved conformations in our simulations compared to the cryo-EM structures solved in detergent micelles, which agrees with recent experimental investigations of the overall Piezo nano-dome shape in membrane vesicles [6, 7, 8]. At high membrane tension, the Piezo proteins attain nearly planar conformations in our simulations. Our systematic investigation of Piezo proteins under different membrane tensions indicates a half-maximal conformational response at membrane tension values rather close to the experimentally suggested values of Piezo activation [9, 10]. In addition, our simulations indicate a widening of the Piezo1 ion channel at high membrane tension, which agrees with the channel widening observed in recent nearly flattened cryo-EM structures of Piezo1 in small membrane vesicles [11]. In contrast, the Piezo2 ion channel does not respond to membrane tension in our simulations. These different responses of the Piezo1 and Piezo2 ion channels in our simulations are in line with patch-clamp experiments, in which Piezo1, but not Piezo2, was shown to be activated by membrane tension alone [12].
N2  - Mechanosensitivität ist ein fundamentaler biologischer Prozess, der sowohl dem Empfinden von Berührung und Schmerz als auch dem Hören und der Propriozeption zu Grunde liegt. Ein Klasse von Ionenkanalproteinen, die mechanosensitiven Proteine, wandeln dazu mechanische Reize in elektrochemische Signal um. Mechanische Kräfte führen zu Konformationsänderungen dieser mechanosensitiven Proteine, die dann wiederum die Öffnung der Ionenkanäle in den Proteinen bewirken. Die mechanosensitiven Proteine von Säugetieren wurden über viele Jahre gesucht und 2010 schließlich als Familie zweier Proteine – Piezo1 und Piezo2 – entdeckt. Die cryo-EM-Strukturen dieser Proteine wurden in den letzten Jahren entschlüsselt und zeigen einen propellerförmigen Homotrimer, der 114 Transmembranhelizes aufweist. Die Proteinstrukturen sind gekrümmt, was zu dem Vorschlag führte, dass die Proteine die umgebende Membran in eine Nanokuppel überführen, die mechanisch auf durch äußere Krafte induzierte Membranspannungen reagiert. In dieser Doktorarbeit werden die Konformationen von Piezo1 und Piezo2 in Membranen und die spannungsinduzierten Konformationsänderungen dieser Proteine in Molekulardynamiksimulationen untersucht. Unsere vergröberten Molekulardynamiksimulationen zeigen, dass die Piezo-Proteine zu Membrankrümmung und einer stabilen Protein-Membran-Nanokuppel führen. Die Piezo-Proteine nehmen in Membranen jedoch deutlich schwächer gekrümmte Konformationen an als in den aus Detergenzien bestehen Mizellen der cryo-EM-Strukturen, was mit jüngsten experimentellen Befunden zur Form der Piezo-Nanokuppel in Membranvesikeln übereinstimmt. Bei hohen Membranspannungen nehmen die Piezo-Proteine nahezu flache Konformationen in unseren Simulationen an. Unsere systematische Untersuchung von Piezo-Proteinen bei verschiedenen Membranspannungen zeigen halbmaximale Konformationsänderungen bei Werten der Membranspannung, die nahe bei experimentell gefundenen Aktivierungsspannungswerten von Piezo1 liegen. Zudem ist in unseren Simulationen eine Aufweitung des Ionenkanals von Piezo1 bei hohen Membranspannungen zu sehen, die mit Ionenkanalkonformationen in jüngsten, nahezu flachen cryo-EM-Strukuren von Piezo1 in kleinen Membranvesikeln übereinstimmt. In Gegensatz dazu zeigt der Ionenkanal von Piezo2 keine Konformationsänderungen bei hohen Membranspannungen. Diese unterschiedlichen Reaktionen der Ionenkanäle von Piezo1 und Piezo2 wiederum stimmen mit Befunden aus Patch-Clamp-Experimenten überein, in denen Piezo1, aber nicht Piezo2, alleinig durch Membranspannung aktiviert werden konnte.
KW  - Piezo1
KW  - Piezo2
KW  - Mechanosensitive proteins
KW  - Membrane tension
KW  - MD simulations
KW  - Piezo1
KW  - Piezo2
KW  - Mechanosensitiven Proteine
KW  - Membranspannung
KW  - MD-Simulationen
Y1  - 2023
ER  - 
TY  - THES
A1  - Rätzel, Dennis
T1  - Tensorial spacetime geometries and background-independent quantum field theory
T1  - Tensorielle Raumzeit-Geometrien und hintergrundunabhängige Quantenfeldtheorie
N2  - Famously, Einstein read off the geometry of spacetime from Maxwell's equations. Today, we take this geometry that serious that our fundamental theory of matter, the standard model of particle physics, is based on it. However, it seems that there is a gap in our understanding if it comes to the physics outside of the solar system. Independent surveys show that we need concepts like dark matter and dark energy to make our models fit with the observations. But these concepts do not fit in the standard model of particle physics. To overcome this problem, at least, we have to be open to matter fields with kinematics and dynamics beyond the standard model. But these matter fields might then very well correspond to different spacetime geometries. This is the basis of this thesis: it studies the underlying spacetime geometries and ventures into the quantization of those matter fields independently of any background geometry. In the first part of this thesis, conditions are identified that a general tensorial geometry must fulfill to serve as a viable spacetime structure. Kinematics of massless and massive point particles on such geometries are introduced and the physical implications are investigated. Additionally, field equations for massive matter fields are constructed like for example a modified Dirac equation. In the second part, a background independent formulation of quantum field theory, the general boundary formulation, is reviewed. The general boundary formulation is then applied to the Unruh effect as a testing ground and first attempts are made to quantize massive matter fields on tensorial spacetimes.
N2  - Bekanntermaßen hat Albert Einstein die Geometrie der Raumzeit an den Maxwell-Gleichungen abgelesen. Heutzutage nehmen wie diese Geometrie so ernst, dass unsere fundamentale Materietheorie, das Standardmodell der Teilchenphysik, darauf beruht. Sobald es jedoch um die Physik außerhalb des Sonnensystems geht, scheinen einige Dinge unverstanden zu sein. Unabhängige Beobachtungsreihen zeigen, dass wir Konzepte wie dunkle Materie und dunkle Energie brauchen um unsere Modelle mit den Beobachtungen in Einklang zu bringen. Diese Konzepte passen aber nicht in das Standardmodell der Teilchenphysik. Um dieses Problem zu überwinden, müssen wir zumindest offen sein für Materiefelder mit Kinematiken und Dynamiken die über das Standardmodell hinaus gehen. Diese Materiefelder könnten dann aber auch durchaus zu anderen Raumzeitgeometrien gehören. Das ist die Grundlage dieser Arbeit: sie untersucht die zugehörigen Raumzeitgeometrien und beschäftigt sich mit der Quantisierung solcher Materiefelder unabhängig von jeder Hintergrundgeometrie. Im ersten Teil dieser Arbeit werden Bedingungen identifiziert, die eine allgemeine tensorielle Geometrie erfüllen muss um als sinnvolle Raumzeitgeometrie dienen zu können. Die Kinematik masseloser und massiver Punktteilchen auf solchen Raumzeitgeometrien werden eingeführt und die physikalischen Implikationen werden untersucht. Zusätzlich werden Feldgleichungen für massive Materiefelder konstruiert, wie zum Beispiel eine modifizierte Dirac-Gleichung. Im zweiten Teil wird eine hintergrundunabhängige Formulierung der Quantenfeldtheorie, die General Boundary Formulation, betrachtet. Die General Boundary Formulation wird dann auf den Unruh-Effekt angewendet und erste Versuche werden unternommen massive Materiefelder auf tensoriellen Raumzeiten zu quantisieren.
KW  - Quantenfeldtheorie
KW  - Raumzeitgeometrie
KW  - Hochenergiephysik
KW  - Elementarteilchen
KW  - Unruh-Effekt
KW  - quantum field theory
KW  - spacetime geometry
KW  - high energy physics
KW  - elementary particles
KW  - Unruh effect
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-65731
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TY  - THES
A1  - Rivera Hernández, Sergio
T1  - Tensorial spacetime geometries carrying predictive, interpretable and quantizable matter dynamics
T1  - Tensorielle Raumzeit-Geometrien, welche prädiktive, interpretierbare und quantisierbare Materiefeld-Dynamiken tragen können
N2  - Which tensor fields G on a smooth manifold M can serve as a spacetime structure? In the first part of this thesis, it is found that only a severely restricted class of tensor fields can provide classical spacetime geometries, namely those that can carry predictive, interpretable and quantizable matter dynamics. The obvious dependence of this characterization of admissible tensorial spacetime geometries on specific matter is not a weakness, but rather presents an insight: it was Maxwell theory that justified Einstein to promote Lorentzian manifolds to the status of a spacetime geometry. Any matter that does not mimick the structure of Maxwell theory, will force us to choose another geometry on which the matter dynamics of interest are predictive, interpretable and quantizable. These three physical conditions on matter impose three corresponding algebraic conditions on the totally symmetric contravariant coefficient tensor field P that determines the principal symbol of the matter field equations in terms of the geometric tensor G: the tensor field P must be hyperbolic, time-orientable and energy-distinguishing. Remarkably, these physically necessary conditions on the geometry are mathematically already sufficient to realize all kinematical constructions familiar from Lorentzian geometry, for precisely the same structural reasons. This we were able to show employing a subtle interplay of convex analysis, the theory of partial differential equations and real algebraic geometry. In the second part of this thesis, we then explore general properties of any hyperbolic, time-orientable and energy-distinguishing tensorial geometry. Physically most important are the construction of freely falling non-rotating laboratories, the appearance of admissible modified dispersion relations to particular observers, and the identification of a mechanism that explains why massive particles that are faster than some massless particles can radiate off energy until they are slower than all massless particles in any hyperbolic, time-orientable and energy-distinguishing geometry. In the third part of the thesis, we explore how tensorial spacetime geometries fare when one wants to quantize particles and fields on them. This study is motivated, in part, in order to provide the tools to calculate the rate at which superluminal particles radiate off energy to become infraluminal, as explained above. Remarkably, it is again the three geometric conditions of hyperbolicity, time-orientability and energy-distinguishability that allow the quantization of general linear electrodynamics on an area metric spacetime and the quantization of massive point particles obeying any admissible dispersion relation. We explore the issue of field equations of all possible derivative order in rather systematic fashion, and prove a practically most useful theorem that determines Dirac algebras allowing the reduction of derivative orders. The final part of the thesis presents the sketch of a truly remarkable result that was obtained building on the work of the present thesis. Particularly based on the subtle duality maps between momenta and velocities in general tensorial spacetimes, it could be shown that gravitational dynamics for hyperbolic, time-orientable and energy distinguishable geometries need not be postulated, but the formidable physical problem of their construction can be reduced to a mere mathematical task: the solution of a system of homogeneous linear partial differential equations. This far-reaching physical result on modified gravity theories is a direct, but difficult to derive, outcome of the findings in the present thesis. Throughout the thesis, the abstract theory is illustrated through instructive examples.
N2  - Welche Tensorfelder G auf einer glatten Mannigfaltigkeit M können eine Raumzeit-Geometrie beschreiben? Im ersten Teil dieser Dissertation wird es gezeigt, dass nur stark eingeschränkte Klassen von Tensorfeldern eine Raumzeit-Geometrie darstellen können, nämlich Tensorfelder, die eine prädiktive, interpretierbare und quantisierbare Dynamik für Materiefelder ermöglichen. Die offensichtliche Abhängigkeit dieser Charakterisierung erlaubter tensorieller Raumzeiten von einer spezifischen Materiefelder-Dynamik ist keine Schwäche der Theorie, sondern ist letztlich genau das Prinzip, das die üblicherweise betrachteten Lorentzschen Mannigfaltigkeiten auszeichnet: diese stellen die metrische Geometrie dar, welche die Maxwellsche Elektrodynamik prädiktiv, interpretierbar und quantisierbar macht. Materiefeld-Dynamiken, welche die kausale Struktur von Maxwell-Elektrodynamik nicht respektieren, zwingen uns, eine andere Geometrie auszuwählen, auf der die Materiefelder-Dynamik aber immer noch prädiktiv, interpretierbar und quantisierbar sein muss. Diesen drei Voraussetzungen an die Materie entsprechen drei algebraische Voraussetzungen an das total symmetrische kontravariante Tensorfeld P, welches das Prinzipalpolynom der Materiefeldgleichungen (ausgedrückt durch das grundlegende Tensorfeld G) bestimmt: das Tensorfeld P muss hyperbolisch, zeitorientierbar und energie-differenzierend sein. Diese drei notwendigen Bedingungen an die Geometrie genügen, um alle aus der Lorentzschen Geometrie bekannten kinematischen Konstruktionen zu realisieren. Dies zeigen wir im ersten Teil der vorliegenden Arbeit unter Verwendung eines teilweise recht subtilen Wechselspiels zwischen konvexer Analysis, der Theorie partieller Differentialgleichungen und reeller algebraischer Geometrie. Im zweiten Teil dieser Dissertation erforschen wir allgemeine Eigenschaften aller solcher hyperbolischen, zeit-orientierbaren und energie-differenzierenden Geometrien. Physikalisch wichtig sind der Aufbau von frei fallenden und nicht rotierenden Laboratorien, das Auftreten modifizierter Energie-Impuls-Beziehungen und die Identifizierung eines Mechanismus, der erklärt, warum massive Teilchen, die sich schneller als einige masselosse Teilchen bewegen, Energie abstrahlen können, aber nur bis sie sich langsamer als alle masselossen Teilchen bewegen. Im dritten Teil der Dissertation ergründen wir die Quantisierung von Teilchen und Feldern auf tensoriellen Raumzeit-Geometrien, die die obigen physikalischen Bedingungen erfüllen. Eine wichtige Motivation dieser Untersuchung ist es, Techniken zur Berechnung der Zerfallsrate von Teilchen zu berechnen, die sich schneller als langsame masselose Teilchen bewegen. Wir finden, dass es wiederum die drei zuvor im klassischen Kontext identifizierten Voraussetzungen (der Hyperbolizität, Zeit-Orientierbarkeit und Energie-Differenzierbarkeit) sind, welche die Quantisierung allgemeiner linearer Elektrodynamik auf einer flächenmetrischen Raumzeit und die Quantizierung massiver Teilchen, die eine physikalische Energie-Impuls-Beziehung respektieren, erlauben. Wir erkunden auch systematisch, wie man Feldgleichungen aller Ableitungsordnungen generieren kann und beweisen einen Satz, der verallgemeinerte Dirac-Algebren bestimmt und die damit Reduzierung des Ableitungsgrades einer physikalischen Materiefeldgleichung ermöglicht. Der letzte Teil der vorliegenden Schrift skizziert ein bemerkenswertes Ergebnis, das mit den in dieser Dissertation dargestellten Techniken erzielt wurde. Insbesondere aufgrund der hier identifizierten dualen Abbildungen zwischen Teilchenimpulsen und -geschwindigkeiten auf allgemeinen tensoriellen Raumzeiten war es möglich zu zeigen, dass man die Gravitationsdynamik für hyperbolische, zeit-orientierbare und energie-differenzierende Geometrien nicht postulieren muss, sondern dass sich das Problem ihrer Konstruktion auf eine rein mathematische Aufgabe reduziert: die Lösung eines homogenen linearen Differentialgleichungssystems. Dieses weitreichende Ergebnis über modifizierte Gravitationstheorien ist eine direkte (aber schwer herzuleitende) Folgerung der Forschungsergebnisse dieser Dissertation. Die abstrakte Theorie dieser Doktorarbeit wird durch mehrere instruktive Beispiele illustriert.
KW  - refined spacetime geometries
KW  - modified dispersion relations
KW  - modified gravitational dynamics
KW  - Finsler geometry
KW  - quantization of field theories
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-61869
ER  - 
TY  - THES
A1  - Mergenthaler, Konstantin K.
T1  - The control of fixational eye movements
T1  - Die Kontrolle fixationaler Augenbewegungen
N2  - In normal everyday viewing, we perform large eye movements (saccades) and miniature or fixational eye movements. Most of our visual perception occurs while we are fixating. However, our eyes are perpetually in motion. Properties of these fixational eye movements, which are partly controlled by the brainstem, change depending on the task and the visual conditions. Currently, fixational eye movements are poorly understood because they serve the two contradictory functions of gaze stabilization and counteraction of retinal fatigue. In this dissertation, we investigate the spatial and temporal properties of time series of eye position acquired from participants staring at a tiny fixation dot or at a completely dark screen (with the instruction to fixate a remembered stimulus); these time series were acquired with high spatial and temporal resolution. First, we suggest an advanced algorithm to separate the slow phases (named drift) and fast phases (named microsaccades) of these movements, which are considered to play different roles in perception. On the basis of this identification, we investigate and compare the temporal scaling properties of the complete time series and those time series where the microsaccades are removed. For the time series obtained during fixations on a stimulus, we were able to show that they deviate from Brownian motion. On short time scales, eye movements are governed by persistent behavior and on a longer time scales, by anti-persistent behavior. The crossover point between these two regimes remains unchanged by the removal of microsaccades but is different in the horizontal and the vertical components of the eyes. Other analyses target the properties of the microsaccades, e.g., the rate and amplitude distributions, and we investigate, whether microsaccades are triggered dynamically, as a result of earlier events in the drift, or completely randomly. The results obtained from using a simple box-count measure contradict the hypothesis of a purely random generation of microsaccades (Poisson process). Second, we set up a model for the slow part of the fixational eye movements. The model is based on a delayed random walk approach within the velocity related equation, which allows us to use the data to determine control loop durations; these durations appear to be different for the vertical and horizontal components of the eye movements. The model is also motivated by the known physiological representation of saccade generation; the difference between horizontal and vertical components concurs with the spatially separated representation of saccade generating regions. Furthermore, the control loop durations in the model suggest an external feedback loop for the horizontal but not for the vertical component, which is consistent with the fact that an internal feedback loop in the neurophysiology has only been identified for the vertical component. Finally, we confirmed the scaling properties of the model by semi-analytical calculations. In conclusion, we were able to identify several properties of the different parts of fixational eye movements and propose a model approach that is in accordance with the described neurophysiology and described limitations of fixational eye movement control.
N2  - Während des alltäglichen Sehens führen wir große (Sakkaden) und Miniatur- oder fixationale Augenbewegungen durch. Die visuelle Wahrnehmung unserer Umwelt geschieht jedoch maßgeblich während des sogenannten Fixierens, obwohl das Auge auch in dieser Zeit ständig in Bewegung ist. Es ist bekannt, dass die fixationalen Augenbewegungen durch die gestellten Aufgaben und die Sichtbedingungen verändert werden. Trotzdem sind die Fixationsbewegungen noch sehr schlecht verstanden, besonders auch wegen ihrer zwei konträren Hauptfunktionen: Das stabilisieren des Bildes und das Vermeiden der Ermüdung retinaler Rezeptoren. In der vorliegenden Dissertation untersuchen wir die zeitlichen und räumlichen Eigenschaften der Fixationsbewegungen, die mit hoher zeitlicher und räumlicher Präzision aufgezeichnet wurden, während die Versuchspersonen entweder einen sichtbaren Punkt oder aber den Ort eines verschwundenen Punktes in völliger Dunkelheit fixieren sollten. Zunächst führen wir einen verbesserten Algorithmus ein, der die Aufspaltung in schnelle (Mikrosakkaden) und langsame (Drift) Fixationsbewegungen ermöglicht. Den beiden Typen von Fixationsbewegungen werden unterschiedliche Beiträge zur Wahrnehmung zugeschrieben. Anschließend wird für die Zeitreihen mit und ohne Mikrosakkaden das zeitliche Skalenverhalten untersucht. Für die Fixationsbewegung während des Fixierens auf den Punkt konnten wir feststellen, dass diese sich nicht durch Brownsche Molekularbewegung beschreiben lässt. Stattdessen fanden wir persistentes Verhalten auf den kurzen und antipersistentes Verhalten auf den längeren Zeitskalen. Während die Position des Übergangspunktes für Zeitreihen mit oder ohne Mikrosakkaden gleich ist, unterscheidet sie sich generell zwischen horizontaler und vertikaler Komponente der Augen. Weitere Analysen zielen auf Eigenschaften der Mikrosakkadenrate und -amplitude, sowie Auslösemechanismen von Mikrosakkaden durch bestimmte Eigenschaften der vorhergehenden Drift ab. Mittels eines Kästchenzählalgorithmus konnten wir die zufällige Generierung (Poisson Prozess) ausschließen. Des weiteren setzten wir ein Modell auf der Grundlage einer Zufallsbewegung mit zeitverzögerter Rückkopplung für den langsamen Teil der Augenbewegung auf. Dies erlaubt uns durch den Vergleich mit den erhobenen Daten die Dauer des Kontrollkreislaufes zu bestimmen. Interessanterweise unterscheiden sich die Dauern für vertikale und horizontale Augenbewegungen, was sich jedoch dadurch erklären lässt, dass das Modell auch durch die bekannte Neurophysiologie der Sakkadengenerierung, die sich räumlich wie auch strukturell zwischen vertikaler und horizontaler Komponente unterscheiden, motiviert ist. Die erhaltenen Dauern legen für die horizontale Komponente einen externen und für die vertikale Komponente einen internen Kontrollkreislauf dar. Ein interner Kontrollkreislauf ist nur für die vertikale Kompoente bekannt. Schließlich wird das Skalenverhalten des Modells noch semianalytisch bestätigt. Zusammenfassend waren wir in der Lage, unterschiedliche Eigenschaften von Teilen der Fixationsbewegung zu identifizieren und ein Modell zu entwerfen, welches auf der bekannten Neurophysiologie aufbaut und bekannte Einschränkungen der Kontrolle der Fixationsbewegung beinhaltet.
KW  - Mikrosakkaden
KW  - rückgekoppelte Zufallsprozesse
KW  - Augenbewegungen
KW  - Sakkadendetektion
KW  - Fixation
KW  - microsaccades
KW  - delayed random walks
KW  - visual fixation
KW  - eye movements
KW  - saccade detection
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-29397
ER  - 
TY  - THES
A1  - Khosravi, Sara
T1  - The effect of new turbulence parameterizations for the stable surface layer on simulations of the Arctic climate
T1  - Die Auswirkung neuer Turbulenzparametrisierungen auf die stabile Grenzschicht in Simulationen des arktischen Klimas
N2  - Arctic climate change is marked by intensified warming compared to global trends and a significant reduction in Arctic sea ice which can intricately influence mid-latitude atmospheric circulation through tropo- and stratospheric pathways. Achieving accurate simulations of current and future climate demands a realistic representation of Arctic climate processes in numerical climate models, which remains challenging.
Model deficiencies in replicating observed Arctic climate processes often arise due to inadequacies in representing turbulent boundary layer interactions that determine the interactions between the atmosphere, sea ice, and ocean. Many current climate models rely on parameterizations developed for mid-latitude conditions to handle Arctic turbulent boundary layer processes.

This thesis focuses on modified representation of the Arctic atmospheric processes and understanding their resulting impact on large-scale mid-latitude atmospheric circulation within climate models. The improved turbulence parameterizations, recently developed based on Arctic measurements, were implemented in the global atmospheric circulation model ECHAM6. This involved modifying the stability functions over sea ice and ocean for stable stratification and changing the roughness length over sea ice for all stratification conditions. Comprehensive analyses are conducted to assess the impacts of these modifications on ECHAM6's simulations of the Arctic boundary layer, overall atmospheric circulation, and the dynamical pathways between the Arctic and mid-latitudes.

Through a step-wise implementation of the mentioned parameterizations into ECHAM6, a series of sensitivity experiments revealed that the combined impacts of the reduced roughness length and the modified stability functions are non-linear. Nevertheless, it is evident that both modifications consistently lead to a general decrease in the heat transfer coefficient, being in close agreement with the observations.
Additionally, compared to the reference observations, the ECHAM6 model falls short in accurately representing unstable and strongly stable conditions.
The less frequent occurrence of strong stability restricts the influence of the modified stability functions by reducing the affected sample size. However, when focusing solely on the specific instances of a strongly stable atmosphere, the sensible heat flux approaches near-zero values, which is in line with the observations. Models employing commonly used surface turbulence parameterizations were shown to have difficulties replicating the near-zero sensible heat flux in strongly stable stratification.
I also found that these limited changes in surface layer turbulence parameterizations have a statistically significant impact on the temperature and wind patterns across multiple pressure levels, including the stratosphere, in both the Arctic and mid-latitudes. These significant signals vary in strength, extent, and direction depending on the specific month or year, indicating a strong reliance on the background state.
 
Furthermore, this research investigates how the modified surface turbulence parameterizations may influence the response of both stratospheric and tropospheric circulation to Arctic sea ice loss. 
The most suitable parameterizations for accurately representing Arctic boundary layer turbulence were identified from the sensitivity experiments. Subsequently, the model's response to sea ice loss is evaluated through extended ECHAM6 simulations with different prescribed sea ice conditions. 
The simulation with adjusted surface turbulence parameterizations better reproduced the observed Arctic tropospheric warming in vertical extent, demonstrating improved alignment with the reanalysis data. Additionally, unlike the control experiments, this simulation successfully reproduced specific circulation patterns linked to the stratospheric pathway for Arctic-mid-latitude linkages. Specifically, an increased occurrence of the Scandinavian-Ural blocking regime (negative phase of the North Atlantic Oscillation) in early (late) winter is observed. Overall, it can be inferred that improving turbulence parameterizations at the surface layer can improve the ECHAM6's response to sea ice loss.
N2  - Der Klimawandel in der Arktis ist durch eine im Vergleich zum globalen Klimawandel verstärkte Erwärmung und einem damit verbundenen starken Rückgang des arktischen Meereises gekennzeichnet. Da dieser verstärkte Klimawandel in der Arktis die atmosphärische Zirkulation in den mittleren Breiten auf komplexe Weise über tropo- und stratosphärische Pfade beeinflussen kann, ist eine realistische Darstellung arktischer Prozesse in numerischen Klimamodellen für zuverlässige Simulationen gegenwärtiger und zukünftiger Klimaänderungen notwendig, stellt aber nach wie vor eine Herausforderung dar. 
Ein wesentlicher Grund für Modelldefizite bei der Reproduktion der beobachteten arktischen Klimaprozesse sind Unzulänglichkeiten bei der Darstellung von turbulenten Grenzschichtprozessen, die die Wechselwirkung zwischen Atmosphäre, Meereis und Ozean bestimmen. Gegenwärtige Klimamodelle verwenden für die Darstellung von turbulenten Grenzschichtprozessen in der Arktis häufig Parametrisierungen, die für Bedingungen in mittleren Breiten entwickelt wurden. 

Diese Arbeit zielt auf eine bessere Darstellung arktischer atmosphärischer Prozesse in Klimamodellen und ein besseres Verständnis der daraus resultierenden Auswirkungen auf die simulierte großskalige atmosphärische Zirkulation in mittleren Breiten ab. Aus diesem Grund wurde in dieser Arbeit  eine Hierarchie von verbesserten Turbulenzparametrisierungen in das globale atmosphärische Zirkulationsmodell ECHAM6 implementiert, die basierend auf arktischen Messungen kürzlich entwickelt wurden. Dabei wurden die Stabilitätsfunktionen über Meereis und Ozean für stabile Schichtung sowie die Rauhigkeitslänge über dem Meereis für alle Schichtungsbedingungen modifiziert. Anschließend wurde eine umfassende Analyse der jeweiligen Sensitivitätsexperimente  durchgeführt, um den Einfluss dieser Modifikationen auf die Simulationen der arktischen Grenzschicht, der großräumigen atmosphärischen Zirkulation und der dynamischen Verbindungswege zwischen der Arktis und den mittleren Breiten in ECHAM6 zu bewerten.

Durch eine schrittweise Implementierung der Hierarchie von verbesserten Turbulenzparameterisierungen in ECHAM6 wurden in einer Reihe von Sensitivitätsexperimenten folgende Erkenntnisse gewonnen: Die kombinierte Auswirkung der reduzierten Rauhigkeitslänge und der modifizierten Stabilitätsfunktionen ist nichtlinear. Dennoch zeigt sich, dass beide Modifikationen zu einer besseren Darstellung arktischer Grenzschichtprozesse führen, insbesondere stimmt die Verringerung des Transferkoeffizienten für Wärme gut mit den Beobachtungen überein. Im Vergleich zu den Referenzbeobachtungen zeigt das ECHAM6-Modell jedoch eine unrealistische Darstellung des Auftretens labiler und stark stabiler Schichtungsbedingungen. Die geringere Häufigkeit von stark stabilen Bedingungen begrenzt den Einfluss der modifizierten Stabilitätsfunktionen. Wenn in den Modelldaten nur die Fälle mit stark stabiler Schichtung analysiert werden, führt die Verwendung der modifizierten Stabilitätsfunktionen zu sehr kleinen turbulenten sensiblen Wärmeflüssen in guter Übereinstimmung mit den Beobachtungen. Dieses Verhalten wurde in den Modellsimulationen mit der Standardturbulenzparametrisierung nicht reproduziert. Es wurde zudem festgestellt, dass die  Änderungen in den Turbulenzparametrisierungen einen statistisch signifikanten Einfluss auf die großskaligen Temperatur- und Windfelder in verschiedenen Höhen bis in die Stratosphäre sowohl in der Arktis als auch in den mittleren Breiten haben.  Diese signifikanten Signale variieren in ihrer Stärke und Lage je nach Monat und Jahr, was eine starke Abhängigkeit vom Hintergrundzustand anzeigt.

Des Weiteren wird in dieser Arbeit untersucht, wie die modifizierten Turbulenzparametrisierungen die Reaktion der troposphärischen und stratosphärischen Zirkulation auf den Rückgang des arktischen Meereises beeinflussen. Dafür wurden die geeignetsten Parametrisierungen zur Darstellung der arktischen Grenzschichtturbulenz anhand der Sensitivitätsexperimente identifiziert. Anschließend wurde die Reaktion des Modells ECHAM6 auf den Meereisverlust durch weitere lange Simulationen mit unterschiedlichen vorgegebenen Meereisbedingungen bewertet. Dabei simuliert die ECHAM6 Modellversion mit verbesserter Turbulenzparametrisierung eine größere vertikale Ausdehnung der arktischen troposphärischen Erwärmung bei Meereisrückgang und zeigt somit eine verbesserte Übereinstimmung mit den Reanalyse-Daten. Darüber hinaus treten in dieser Simulation im Gegensatz zu den Kontrollexperimenten häufiger bevorzugte Zirkulationsmuster auf, die dafür bekannt sind, dass sie Änderungen in der Arktis dynamisch mit den mittleren Breiten verknüpfen. Insbesondere treten blockierende Hochdrucklagen über Skandinavien/Ural im Frühwinter und die negative Phase der Nordatlantischen Oszillation im Spätwinter häufiger auf. Daher lässt sich ableiten, dass durch eine Verbesserung der Turbulenzparametrisierung der Effekt von Meereisverlust in ECHAM6 realistischer dargestellt werden kann.
KW  - boundary layer
KW  - atmosphere
KW  - atmospheric modelling
KW  - turbulence parameterizations
KW  - Atmosphäre
KW  - Atmosphärenmodellierung
KW  - Grenzschicht
KW  - Turbulenzparametrisierungen
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-643520
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TY  - THES
A1  - Heinig, Peter
T1  - The geometry of interacting liquid domains in Langmuir monolayers
N2  - Es werden die Strukturbildung und Benetzung zweidimensionaler (2D) Phasen von Langmuir-Monolagen im lokalen thermodynamischen Gleichgewicht untersucht. Eine Langmuir-Monolage ist ein isoliertes 2D System von Surfaktanten an der Wasser/Luft-Grenzfläche, in dem kristalline, flüssigkristalline, flüssige oder gasförmige Phasen auftreten, die sich in Positionsordnung und/oder Orientierungsordnung unterscheiden. Permanente elektrische Dipolmomente der Surfaktanten führen zu einer langreichweitigen repulsiven Selbstwechselwirkung der Monolage und zur Bildung mesoskopischer Strukturen. Es wird ein Wechselwirkungsmodell verwendet, das die Strukturbildung als Wechselspiel kurzreichweitiger Anziehung (nackte Linienspannung) und langreichweitiger Abstoßung (Oberflächenpotential) auf einer Skala Delta beschreibt. Physikalisch trennt Delta die beiden Längenskalen der lang- und kurzreichweitigen Wechselwirkung. In dieser Arbeit werden die thermodynamischen Stabilitätsbedingungen für die Form einer Phasengrenzlinie (Young-Laplace-Gleichung) und Dreiphasenkontaktpunkt (Young-Bedingung) hergeleitet und zur Beschreibung experimenteller Daten genutzt: Die Linienspannung benetzender 2D Tropfen wird mit Hilfe hängender-Tropfen-Tensiometrie gemessen. Die Blasenform und -größe von 2D Schäumen wird theoretisch modelliert und mit experimentellen 2D Schäumen verglichen. Kontaktwinkel werden durch die Anpassung von experimentellen Tropfen mit numerischen Lösungen der Young-Laplace-Gleichung auf Mikrometerskalen gemessen. Das Skalenverhalten des Kontaktwinkels ermöglicht die Bestimmung einer unteren Schranke von Delta. Weiterhin wird diskutiert, inwieweit das Schalten von 2D Benetzungsmodi in biologischen Membranen zur Steuerung der Reaktionskinetik ein Rolle spielen könnte. Hierzu werden Experimente aus unserer Gruppe, die in einer Langmuir-Monolage durchgeführt wurden, herangezogen.   Abschließend wird die scheinbare Verletzung der Gibbs&prime;schen Phasenregel in Langmuir-Monolagen (nicht-horizontales Plateau der Oberflächendruck-Fläche Isotherme, ausgedehntes Dreiphasengebiet in Einkomponentensystemen) quantitativ untersucht. Eine Verschmutzung der verwendeten Substanzen ist demnach die wahscheinlichste Erklärung, während Finite-Size-Effekte oder der Einfluss der langreichweitigen Elektrostatik die Größenordnung des Effektes nicht beschreiben können.
N2  - The present work investigates the structure formation and wetting in two dimensional (2D) Langmuir monolayer phases in local thermodynamic equilibrium. A Langmuir monolayer is an isolated 2D system of surfactants at the air/water interface. It exhibits crystalline, liquid crystalline, liquid and gaseous phases differing in positional and/or orientational order. Permanent electric dipole moments of the surfactants lead to a long range repulsive interaction and to the formation of mesoscopic patterns. An interaction model is used describing the structure formation as a competition between short range attraction (bare line tension) and long range repulsion (surface potentials) on a scale Delta. Delta has the meaning of a dividing length between the short and long range interaction. In the present work the thermodynamic equilibrium conditions for the shape of two phase boundary lines (Young-Laplace equation) and three phase intersection points (Young&prime;s condition) are derived and applied to describe experimental data: The line tension is measured by pendant droplet tensiometry. The bubble shape and size of 2D foams is calculated numerically and compared to experimental foams. Contact angles are measured by fitting numerical solutions of the Young-Laplace equation on micron scale. The scaling behaviour of the contact angle allows to measure a lower limit for Delta. Further it is discussed, whether in biological membranes wetting transitions are a way in order to control reaction kinetics. Studies performed in our group are discussed with respect to this question in the framework of the above mentioned theory.  Finally the apparent violation of Gibbs&prime; phase rule in Langmuir monolayers (non-horizontal plateau of the surface pressure/area-isotherm, extended three phase coexistence region in one component systems) is investigated quantitatively. It has been found that the most probable explanation are impurities within the system whereas finite size effects or the influence of the long range electrostatics can not explain the order of magnitude of the effect.
KW  - Langmuir
KW  - Monolage
KW  - 2D
KW  - langreichweitig
KW  - Benetzung
KW  - Schäume
KW  - Phasenregel
KW  - Langmuir monolayer
KW  - 2D
KW  - long range
KW  - wetting
KW  - foams
KW  - phase rule
Y1  - 2003
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0000814
ER  - 
TY  - THES
A1  - Yin, Chunhong
T1  - The interplay of nanostructure and efficiency of polymer solar cells
T1  - Einfluss der Nanostruktur auf die Effizienz von Polymer-Solarzellen
N2  - The aim of this thesis is to achieve a deep understanding of the working mechanism of polymer based solar cells and to improve the device performance. Two types of the polymer based solar cells are studied here: all-polymer solar cells comprising macromolecular donors and acceptors based on poly(p-phenylene vinylene) and hybrid cells comprising a PPV copolymer in combination with a novel small molecule electron acceptor. To understand the interplay between morphology and photovoltaic properties in all-polymer devices, I compared the photocurrent characteristics and excited state properties of bilayer and blend devices with different nano-morphology, which was fine tuned by using solvents with different boiling points. The main conclusion from these complementary measurements was that the performance-limiting step is the field-dependent generation of free charge carriers, while bimolecular recombination and charge extraction do not compromise device performance. These findings imply that the proper design of the donor-acceptor heterojunction is of major importance towards the goal of high photovoltaic efficiencies. Regarding polymer-small molecular hybrid solar cells I combined the hole-transporting polymer M3EH-PPV with a novel Vinazene-based electron acceptor. This molecule can be either deposited from solution or by thermal evaporation, allowing for a large variety of layer architectures to be realized. I then demonstrated that the layer architecture has a large influence on the photovoltaic properties. Solar cells with very high fill factors of up to 57 % and an open circuit voltage of 1V could be achieved by realizing a sharp and well-defined donor-acceptor heterojunction. In the past, fill factors exceeding 50 % have only been observed for polymers in combination with soluble fullerene-derivatives or nanocrystalline inorganic semiconductors as the electron-accepting component. The finding that proper processing of polymer-vinazene devices leads to similar high values is a major step towards the design of efficient polymer-based solar cells.
N2  - Ziel dieser Dissertation ist es, die grundlegende Arbeitsweise von polymerbasierten Solarzellen zu verstehen und ihre Leistungsfähigkeit zu erhöhen. Zwei Arten von organischen Solarzellen werden untersucht: Solarzellen, bei denen sowohl Elektronendonator und akzeptor auf Poly(p-phenylen-vinylen) basieren sowie Zellen, bei denen ein PPV-Copolymer als Elektronendonator und organische kleine Moleküle als Elektronenakzeptor fungierten. Um die Zusammenhänge zwischen Morphologie und photovoltaischen Eigenschaften zu verstehen, untersuchte ich Photoströme sowie die Eigenschaften angeregter Zustände in Zweischicht- und Mischsolarzellen mit unterschiedlicher Nano-Morphologie, welche durch die Verwendung von Lösungsmitteln mit unterschiedlichen Siedetemperaturen modifiziert wurde. Die Hauptschlussfolgerung aus diesen Messungen ist, dass der effizienzlimitierende Faktor die feldabhängige Generation freier Ladungsträger ist, wohingegen bimolekulare Rekombination oder die Extraktion der Ladungsträger die Leistungsfähigkeit von Polymer-Polymer- Solarzellen nicht beeinträchtigen. Diese Ergebnisse legen nahe, dass die gezielte Einstellung der Donator-Akzeptor-Grenzfläche von besonderer Bedeutung zum Erreichen hoher Effizienzen ist. In Hybridsolarzellen aus Polymeren und kleinen Molekülen kombinierte ich das lochleitende konjugierte Polymer M3EH-PPV mit einem neuartigen Vinazen-Molekül als Elektronen-akzeptor. Dieses Molekül bietet die Möglichkeit, entweder aus einer Lösung heraus verarbeitet oder im Hochvakuum verdampft zu werden, wodurch eine Vielzahl an unterschiedlichen Probenstrukturen realisiert werden kann. Dadurch konnte ich zeigen, dass die Struktur der aktiven Schicht einen großen Einfluss auf die photovoltaischen Eigenschaften hat. Die Solarzellen erreichten einen Füllfaktor von bis zu 57% und eine Kurzschluss¬spannung von 1 V. In der Vergangenheit konnten bei polymerbasierten Solarzellen Füllfaktoren über 50% nur in Verbindung mit Fullerenen oder nanokristallinen anorganischen Halbleitern als Akzeptoren erreicht werden. Das Resultat, dass bei geeigneter Präparation der Polymer-Vinazen-Schicht vergleichbare Ergebnisse erzielt werden können, ist ein bedeutender Schritt hin zu effizienteren Polymersolarzellen.
KW  - Nanostruktur
KW  - Polymer-Solarzelle
KW  - Effizienz
KW  - Morphologie
KW  - Polymer solar cells
KW  - nanostructure
KW  - efficiency
KW  - morphology
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-29054
ER  - 
TY  - THES
A1  - Ruppert, Jan
T1  - The Low-Mass Young Stellar Content in the Extended Environment of the Galactic Starburst Region NGC3603
Y1  - 2016
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schlemm, Tanja
T1  - The marine ice cliff instability of the Antarctic ice sheet
T1  - Die marine Eisklippeninstabilität des antarktischen Eisschildes
BT  - a theory of mélange-buttressed cliff calving and its application in the Parallel Ice Sheet Model
BT  - eine Theorie des Mélange-gebremsten Klippenkalbens und ihre Anwendung im Parallel Ice Sheet Model
N2  - The Antarctic ice sheet is the largest freshwater reservoir worldwide. If it were to melt completely, global sea levels would rise by about 58 m. Calculation of projections of the Antarctic contribution to sea level rise under global warming conditions is an ongoing effort which
yields large ranges in predictions. Among the reasons for this are uncertainties related to the physics of ice sheet modeling. These
uncertainties include two processes that could lead to runaway ice retreat: the Marine Ice Sheet Instability (MISI), which causes rapid grounding line retreat on retrograde bedrock, and the Marine Ice Cliff Instability (MICI), in which tall ice cliffs become unstable and calve off, exposing even taller ice cliffs.
In my thesis, I investigated both marine instabilities (MISI and MICI) using the Parallel Ice Sheet Model (PISM), with a focus on MICI.
N2  - Der antarktische Eisschild ist das größte Süßwasserreservoir der Welt. Würde er vollständig schmelzen, würde der globale Meeresspiegel um etwa 58 m ansteigen. Die Ermittlung von Prognosen über den Beitrag der Antarktis zum Anstieg des Meeresspiegels infolge der globalen Erwärmung ist ein fortlaufender Prozess, der große Unterschiede in den Vorhersagen zur Folge hat. Einer der Gründe dafür sind Ungewissheiten im Zusammenhang mit der Physik der Eisschildmodellierung. Zu diesen Unsicherheiten gehören zwei Prozesse, die zu einem unkontrollierten Eisrückzug führen könnten:
die Marine Ice Sheet Instability (MISI), die zu einem schnellen Rückzug der Grundlinie auf rückläufigem Grundgestein führt, und die Marine Ice Cliff Instability (MICI), bei der hohe Eisklippen instabil werden und abkalben, wodurch noch höhere Eisklippen freigelegt werden.
In meiner Dissertation untersuchte ich beide marinen Instabilitäten (MISI und MICI) mit Hilfe des Parallel Ice Sheet Model (PISM), wobei der Schwerpunkt auf MICI lag.
KW  - Antarctica
KW  - ice sheet modelling
KW  - iceberg calving
KW  - Antarktis
KW  - Eisschildmodellierung
KW  - Eisbergkalbung
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-586333
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TY  - THES
A1  - De Andrade Queiroz, Anna Barbara
T1  - The Milky Way disks, bulge, and bar sub-populations
T1  - Die Scheiben, der Bulge und der Balken der Milchstraße Subpopulationen
BT  - a chemo-dynamical view of our Galaxy in the APOGEE + Gaia era
BT  - ein chemodynamischer Blick auf unsere Galaxie in der APOGEE + Gaia Ära
N2  - In recent decades, astronomy has seen a boom in large-scale stellar surveys of the Galaxy. The detailed information obtained about millions of individual stars in the Milky Way is bringing us a step closer to answering one of the most outstanding questions in astrophysics: how do galaxies form and evolve? The Milky Way is the only galaxy where we can dissect many stars into their high-dimensional chemical composition and complete phase space, which analogously as fossil records can unveil the past history of the genesis of the Galaxy. The processes that lead to large structure formation, such as the Milky Way, are critical for constraining cosmological models; we call this line of study Galactic archaeology or near-field cosmology.
At the core of this work, we present a collection of efforts to chemically and dynamically characterise the disks and bulge of our Galaxy. The results we present in this thesis have only been possible thanks to the advent of the Gaia astrometric satellite, which has revolutionised the field of Galactic archaeology by precisely measuring the positions, parallax distances and motions of more than a billion stars. Another, though not less important, breakthrough is the APOGEE survey, which has observed spectra in the near-infrared peering into the dusty regions of the Galaxy, allowing us to determine detailed chemical abundance patterns in hundreds of thousands of stars. To accurately depict the Milky Way structure, we use and develop the Bayesian isochrone fitting tool/code called StarHorse; this software can predict stellar distances, extinctions and ages by combining astrometry, photometry and spectroscopy based on stellar evolutionary models. The StarHorse code is pivotal to calculating distances where Gaia parallaxes alone cannot allow accurate estimates.
We show that by combining Gaia, APOGEE, photometric surveys and using StarHorse, we can produce a chemical cartography of the Milky way disks from their outermost to innermost parts. Such a map is unprecedented in the inner Galaxy. It reveals a continuity of the bimodal chemical pattern previously detected in the solar neighbourhood, indicating two populations with distinct formation histories. Furthermore, the data reveals a chemical gradient within the thin disk where the content of 𝛼-process elements and metals is higher towards the centre. Focusing on a sample in the inner MW we confirm the extension of the chemical duality to the innermost regions of the Galaxy. We find stars with bar shape orbits to show both high- and low-𝛼 abundances, suggesting the bar formed by secular evolution trapping stars that already existed. By analysing the chemical orbital space of the inner Galactic regions, we disentangle the multiple populations that inhabit this complex region. We reveal the presence of the thin disk, thick disk, bar, and a counter-rotating population, which resembles the outcome of a perturbed proto-Galactic disk. Our study also finds that the inner Galaxy holds a high quantity of super metal-rich stars up to three times solar suggesting it is a possible repository of old super-metal-rich stars found in the solar neighbourhood.
We also enter into the complicated task of deriving individual stellar ages. With StarHorse, we calculate the ages of main-sequence turn-off and sub-giant stars for several public spectroscopic surveys. We validate our results by investigating linear relations between chemical abundances and time since the 𝛼 and neutron capture elements are sensitive to age as a reflection of the different enrichment timescales of these elements. For further study of the disks in the solar neighbourhood, we use an unsupervised machine learning algorithm to delineate a multidimensional separation of chrono-chemical stellar groups revealing the chemical thick disk, the thin disk, and young 𝛼-rich stars. The thick disk is shown to have a small age dispersion indicating its fast formation contrary to the thin disk that spans a wide range of ages.
With groundbreaking data, this thesis encloses a detailed chemo-dynamical view of the disk and bulge of our Galaxy. Our findings on the Milky Way can be linked to the evolution of high redshift disk galaxies, helping to solve the conundrum of galaxy formation.
N2  - In den letzten Jahrzehnten hat die Astronomie mit großen galaktischen Durchmusterungen einen Boom erlebt. Die dadurch gewonnenen detaillierten Informationen über Millionen von Einzelsternen in der Milchstraße bringen uns der Beantwortung einer der wichtigsten Fragen der Astrophysik einen Schritt näher: Wie entstehen und entwickeln sich Galaxien? Die Milchstraße ist die einzige Galaxie, in der wir viele Sterne in ihre hochdimensionale chemische Zusammensetzung und ihren vollständigen Phasenraum zerlegen können, was analog zu fossilen Aufzeichnungen die Entstehungsgeschichte der Galaxie enthüllen kann. Für kosmologische Modelle ist es von entscheidender Bedeutung, die Prozesse zu verstehen, die zur Bildung großer Strukturen wie der Milchstraße führen; wir nennen diese Studienrichtung Galaktische Archäologie oder Nahfeldkosmologie.
Im Mittelpunkt dieser Arbeit stehen die Bemühungen, die Scheiben und den Bulge unserer Galaxie chemisch und dynamisch zu charakterisieren. Die Ergebnisse, die wir in dieser Arbeit vorstellen, waren nur dank des starts des astrometrischen Satelliten Gaia möglich, der das Gebiet der galaktischen Archäologie durch die präzise Messung der Positionen, Parallaxenwinkel und Eigenbewegungen von mehr als einer Milliarde Sterne revolutioniert hat. Ein weiterer, aber nicht minder wichtiger Durchbruch ist die APOGEE-Durchmusterung, die Spektren im nahen Infrarot beobachtet hat, was es uns erlaubt, durch die staubigen Regionen der Milchstraße hindurchzublicken und die chemischen Fingerabdrücke von Hunderttausenden von Sternen zu bestimmen. Um die Struktur der Milchstraße genau darzustellen, verwenden und entwickeln wir das Isochrone-fitting-Tool StarHorse; diese Software kann Sternentfernungen, Aussterbezeiten und Alter vorhersagen, indem sie Astrometrie, Photometrie und Spektroskopie auf der Grundlage von Modellen der Sternentwicklung kombiniert. Der Code StarHorse ist von zentraler Bedeutung für die Berechnung von Entfernungen, bei denen Gaia -Parallaxen allein keine Bestimmung ermöglichen.
Wir zeigen, dass wir durch die Kombination von Gaia, APOGEE und StarHorse eine chemische Kartographie der Milchstraßenscheiben von ihrem äußersten bis zum innersten Teil erstellen können. Eine solche Karte ist in der inneren Galaxis beispiellos und zeigt ein bimodales chemisches Muster, das auf zwei Populationen mit unterschiedlichen Entstehungsgeschichten hinweist. Darüber hinaus bestätigen die Daten einen chemischen Gradienten innerhalb der dünnen Scheibe, bei dem der Gehalt an Elementen und Metallen aus 𝛼-Prozessen zum Zentrum hin zunimmt ist. Eine Überdichte in der Anzahl der Sterne bestätigt zudem die Signatur eines Balkens in der inneren Galaxie.
Modelle der Galaxienentstehung sagen gewöhnlich deren Beginn im galaktischen Zentrum voraus. Wir konzentrieren uns auf eine Stichprobe in der inneren Galaxie und erwarten, dass wir primordiale stellare Populationen finden. Wir bestätigen die chemische Bimodalität der inneren Galaxie und dass der galaktische Balken sowohl aus Sternen mit hohem als auch mit niedrigem 𝛼 besteht, was darauf hindeutet, dass sich der Balken durch säkulare Evolution gebildet hat, bei der bereits existierende Sterne eingefangen wurden. Durch die Analyse des chemischen Orbitalraums der inneren galaktischen Regionen können wir die verschiedenen Populationen, die diese komplexe Region bewohnen, unterscheiden. Wir zeigen das Vorhandensein einer dünnen Scheibe, einer dicken Scheibe, eines Balkens und einer gegenläufig rotierenden Population, die dem Ergebnis einer gestörten proto-galaktischen Scheibe ähnelt. Unsere Studie zeigt auch, dass die innere Galaxie eine große Menge an supermetallreichen Sternen enthält, die bis zum Dreifachen der solaren Metallizität reichen. Möglicherweise handelt es sich bei der Gruppe alter supermetallreicher Sterne, die in der Sonnenumgebung gefunden wurden um Kandidaten für Migranten aus den innersten Regionen.
Wir befassen uns auch mit der komplizierten Aufgabe der Bestimmung individueller Sternalter. Mit StarHorse berechnen wir das Alter von Hauptreihenabzweig- und Unterriesensternen für mehrere öffentliche spektroskopische Durchmusterungen. Wir validieren unsere Ergebnisse, indem wir lineare Abhängigkeiten zwischen den chemischen Häufigkeiten und der Zeit untersuchen, da die 𝛼- und Neutroneneinfang-Elemente empfindlich auf das Alter reagieren, was auf die unterschiedlichen Zeitskalen der Anreicherung dieser Elemente zurückzuführen ist. Zur weiteren Untersuchung der Scheiben in der Sonnenumgebung verwenden wir einen nicht überwachten Algorithmus für maschinelles Lernen, um eine mehrdimensionale Trennung der chrono-chemischen Sterngruppen vorzunehmen. Dies macht die chemisch dicke Scheibe, die dünne Scheibe und junge 𝛼 Sterne erkennbar. Es zeigt sich, dass die dicke Scheibe eine geringe Altersstreuung aufweist, was auf ihre schnelle Entstehung hindeutet, während die dünne Scheibe eine große Altersspanne abdeckt.
Mit bahnbrechenden Daten liefert diese Arbeit ein detailliertes chemodynamisches Bild der Scheibe und des Bulge der Galaxis. Unsere Erkenntnisse über die Milchstraße können mit der Entwicklung von Scheibengalaxien mit hoher Rotverschiebung in Verbindung gebracht werden und so zur Lösung des Rätsels der Galaxienbildung beitragen.
KW  - stars: distances
KW  - fundamental parameters
KW  - statistics
KW  - galaxy: general
KW  - disc
KW  - bulge
KW  - stellar content
KW  - Bulge
KW  - Scheibe
KW  - fundamentale Parameter
KW  - Galaxie: allgemein
KW  - Sterne: Entfernungen
KW  - Statistik
KW  - stellarer Inhalt
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-590615
ER  - 
TY  - THES
A1  - Haase, Nadin
T1  - The nascent peptide chain in the ribosomal exit tunnel
Y1  - 2019
ER  - 
TY  - THES
A1  - Sposini, Vittoria
T1  - The random diffusivity approach for diffusion in heterogeneous systems
N2  - The two hallmark features of Brownian motion are the linear growth < x2(t)> =  2Ddt of the mean squared displacement (MSD) with diffusion coefficient D in d spatial dimensions, and the Gaussian distribution of displacements. With the increasing complexity of the studied systems deviations from these two central properties have been unveiled over the years. Recently, a large variety of systems have been reported in which the MSD exhibits the linear growth in time of Brownian (Fickian) transport, however, the distribution of displacements is pronouncedly non-Gaussian (Brownian yet non-Gaussian, BNG). A similar behaviour is also observed for viscoelastic-type motion where an anomalous trend of the MSD, i.e., <x2(t)> ~ ta, is combined with a priori unexpected non-Gaussian distributions (anomalous yet non-Gaussian, ANG). This kind of behaviour observed in BNG and ANG diffusions has been related to the presence of heterogeneities in the systems and a common approach has been established to address it, that is, the random diffusivity approach. 

This dissertation explores extensively the field of random diffusivity models. Starting from a chronological description of all the main approaches used as an attempt of describing BNG and ANG diffusion, different mathematical methodologies are defined for the resolution and study of these models. The processes that are reported in this work can be classified in three subcategories, i) randomly-scaled Gaussian processes, ii) superstatistical models and iii) diffusing diffusivity models, all belonging to the more general class of random diffusivity models. Eventually, the study focuses more on BNG diffusion, which is by now well-established and relatively well-understood. Nevertheless, many examples are discussed for the description of ANG diffusion, in order to highlight the possible scenarios which are known so far for the study of this class of processes.

The second part of the dissertation deals with the statistical analysis of random diffusivity processes. A general description based on the concept of moment-generating function is initially provided to obtain standard statistical properties of the models. Then, the discussion moves to the study of the power spectral analysis and the first passage statistics for some particular random diffusivity models. A comparison between the results coming from the random diffusivity approach and the ones for standard Brownian motion is discussed. In this way, a deeper physical understanding of the systems described by random diffusivity models is also outlined. 

To conclude, a discussion based on the possible origins of the heterogeneity is sketched, with the main goal of inferring which kind of systems can actually be described by the random diffusivity approach.
N2  - Die zwei grundlegenden Eigenschaften der Brownschen Molekularbewegung sind das lineare Wachstum < x2(t)> =  2Ddt der mittleren quadratischen Verschiebung (mean squared displacement, MSD) mit dem Diffusionskoeffizienten D in Dimension d und die Gauß Verteilung der räumlichen Verschiebung. Durch die zunehmende Komplexität der untersuchten Systeme wurden in den letzten Jahren Abweichungen von diesen zwei grundlegenden Eigenschaften gefunden. Hierbei, wurde über eine große Anzahl von Systemen berichtet, in welchen die MSD das lineare Wachstum der Brownschen Bewegung (Ficksches Gesetzt) zeigt, jedoch die Verteilung der Verschiebung nicht einer Gaußverteilung folgt (Brownian yet non-Gaussian, BNG). Auch in viskoelastischen Systemen Bewegung wurde ein analoges Verhalten beobachtet. Hier ist ein anomales Verhalten des MSD, <x2(t)> ~ ta, in Verbindung mit einer a priori unerwarteten nicht gaußchen Verteilung (anomalous yet non-Gaussian, ANG). Dieses Verhalten, welches sowohl in BNG- als auch in ANG-Diffusion beobachtet wird, ist auf eine Heterogenität in den Systemen zurückzuführen. Um diese Systeme zu beschreiben, wurde ein einheitlicher Ansatz, basierend auf den Konzept der zufälligen Diffusivität, entwickelt. 
Die vorliegende Dissertation widmet sich ausführlich Modellen mit zufälligen Diffusivität. Ausgehend von einem chronologischen Überblick der grundlegenden Ansätze der Beschreibung der BNG- und ANG-Diffusion werden mathematische Methoden entwickelt, um die verschiedenen Modelle zu untersuchen. Die in dieser Arbeit diskutierten Prozesse können in drei Kategorien unterteil werden: i) randomly-scaled Gaussian processes, ii) superstatistical models und iii) diffusing diffusivity models, welche alle zu den allgemeinen Modellen mit zufälligen Diffusivität gehören. Der Hauptteil dieser Arbeit ist die Untersuchung auf die BNG Diffusion, welche inzwischen relativ gut verstanden ist. Dennoch werden auch viele Beispiele für die Beschreibung von ANG-Diffusion diskutiert, um die Möglichkeiten der Analyse solcher Prozesse aufzuzeigen. 
Der zweite Teil der Dissertation widmet sich der statistischen Analyse von Modellen mit zufälligen Diffusivität. Eine allgemeine Beschreibung basierend auf dem Konzept der momenterzeugenden Funktion wurde zuerst herangezogen, um grundsätzliche statistische Eigenschaften der Modelle zu erhalten. Anschließend konzentriert sich die Diskussion auf die Analyse der spektralen Leistungsdichte und der first passage Statistik für einige spezielle Modelle mit zufälligen Diffusivität. Diese Ergebnisse werden mit jenen der normalen Brownschen Molekularbewegung verglichen. Dadurch wird ein tiefergehendes physikalisches Verständnis über die Systeme erlangt, welche durch ein Modell mit zufälligen Diffusivität beschrieben werden. Abschließend, zeigt eine Diskussion mögliche Ursachen für die Heterogenität auf, mit dem Ziel darzustellen, welche Arten von Systemen durch den Zufalls-Diffusivitäts-Ansatz beschrieben werden können.
N2  - Las dos características distintivas del movimiento Browniano son el crecimiento lineal  < x2(t)> =  2Ddt del desplazamiento cuadrático medio (mean squared displacement}, MSD) con el coeficiente de difusión D en dimensiones espaciales d, y la distribución Gaussiana de los desplazamientos. Con los continuos avances en tecnologías experimentales y potencia de cálculo, se logra estudiar con mayor detalle sistemas cada vez más complejos y algunos sistemas revelan desviaciones de estas dos propiedades centrales. En los últimos años se ha observado una gran variedad de sistemas en los que el MSD presenta un crecimiento lineal en el tiempo (típico del transporte Browniano), no obstante, la distribución de los desplazamientos es pronunciadamente no Gaussiana (Brownian yet non-Gaussian diffusion}, BNG). Un comportamiento similar se observa asimismo en el caso del movimiento de tipo viscoelástico, en el que se combina una tendencia anómala del MSD, es decir, <x2(t)> ~ ta, con a, con distribuciones inesperadamente no Gaussianas (Anomalous yet non-Gaussian diffusion, ANG).  Este tipo de comportamiento observado en las difusiones BNG y ANG se ha relacionado con la presencia de heterogeneidades en los sistemas y se ha establecido un enfoque común para abordarlo: el enfoque de difusividad aleatoria. 
En la primera parte de esta disertación se explora extensamente el área de los modelos de difusividad aleatoria. A través de una descripción cronológica de los principales enfoques utilizados para caracterizar las difusiones BNG y ANG, se definen diferentes metodologías matemáticas para la resolución y el estudio de estos modelos. Los procesos expuestos en este trabajo, pertenecientes a la clase más general de modelos de difusividad aleatoria, pueden clasificarse en tres subcategorías: i) randomly-scaled Gaussian processes, ii) superstatistical models y iii) diffusing diffusivity models. Fundamentalmente el enfoque de este trabajo se centra en la difusión BNG, bien establecida y ampliamente estudiada en los últimos años. No obstante, múltiples ejemplos son examinados para la descripción de la difusión ANG, a fin de remarcar los diferentes modelos de estudio disponibles hasta el momento. 
En la segunda parte de la disertación se desarolla el análisis estadístico de los procesos de difusividad aleatoria. Inicialmente se expone una descripción general basada en el concepto de la función generadora de momentos para obtener las propiedades estadísticas estándar de los modelos. A continuación, la discusión aborda el estudio de la densidad espectral de potencia y la estadística del tiempo de primer paso para algunos modelos de difusividad aleatoria. Adicionalmente, los resultados del método de difusividad aleatoria se comparan junto a los de movimiento browniano estándar. Como resultado, se obtiene una mayor comprensión física de los sistemas descritos por los modelos de difusividad aleatoria. 
Para concluir, se presenta una discusión acerca de los posibles orígenes de la heterogeneidad, con el objetivo principal de inferir qué tipo de sistemas pueden describirse apropiadamente según el enfoque de la difusividad aleatoria.
KW  - diffusion
KW  - non-gaussianity
KW  - random diffusivity
KW  - power spectral analysis
KW  - first passage
KW  - Diffusion
KW  - zufälligen Diffusivität
KW  - spektrale Leistungsdichte
KW  - first passage
KW  - Heterogenität
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-487808
ER  - 
TY  - THES
A1  - Dominis, Dijana
T1  - The role of binary stars in searches for extrasolar planets by microlensing and astrometry
T1  - Die Rolle der Doppelsterne bei der Suche nach extrasolaren Planeten durch Mikrogravitationslinseneffekte und Astrometrie
N2  - When Galactic microlensing events of stars are observed, one usually measures a symmetric light curve corresponding to a single lens, or an asymmetric light curve, often with caustic crossings, in the case of a binary lens system. In principle, the fraction of binary stars at a certain separation range can be estimated based on the number of measured microlensing events. However, a binary system may produce a light curve which can be fitted well as a single lens light curve, in particullary if the data sampling is poor and the errorbars are large. We investigate what fraction of microlensing events produced by binary stars for different separations may be well fitted by and hence misinterpreted as single lens events for various observational conditions. We find that this fraction strongly depends on the separation of the binary components, reaching its minimum at between 0.6 and 1.0 Einstein radius, where it is still of the order of 5% The Einstein radius is corresponding to few A.U. for typical Galactic microlensing scenarios. The rate for misinterpretation is higher for short microlensing events lasting up to few months and events with smaller maximum amplification. For fixed separation it increases for binaries with more extreme mass ratios. Problem of degeneracy in photometric light curve solution between binary lens and binary source microlensing events was studied on simulated data, and data observed by the PLANET collaboration. The fitting code BISCO using the PIKAIA genetic algorithm optimizing routine was written for optimizing binary-source microlensing light curves observed at different sites, in I, R and V photometric bands. Tests on simulated microlensing light curves show that BISCO is successful in finding the solution to a binary-source event in a very wide parameter space. Flux ratio method is suggested in this work for breaking degeneracy between binary-lens and binary-source photometric light curves. Models show that only a few additional data points in photometric V band, together with a full light curve in I band, will enable breaking the degeneracy. Very good data quality and dense data sampling, combined with accurate binary lens and binary source modeling, yielded the discovery of the lowest-mass planet discovered outside of the Solar System so far, OGLE-2005-BLG-390Lb, having only 5.5 Earth masses. This was the first observed microlensing event in which the degeneracy between a planetary binary-lens and an extreme flux ratio binary-source model has been successfully broken. For events OGLE-2003-BLG-222 and OGLE-2004-BLG-347, the degeneracy was encountered despite of very dense data sampling. From light curve modeling and stellar evolution theory, there was a slight preference to explain OGLE-2003-BLG-222 as a binary source event, and OGLE-2004-BLG-347 as a binary lens event. However, without spectra, this degeneracy cannot be fully broken. No planet was found so far around a white dwarf, though it is believed that Jovian planets should survive the late stages of stellar evolution, and that white dwarfs will retain planetary systems in wide orbits. We want to perform high precision astrometric observations of nearby white dwarfs in wide binary systems with red dwarfs in order to find planets around white dwarfs. We selected a sample of observing targets (WD-RD binary systems, not published yet), which can possibly have planets around the WD component, and modeled synthetic astrometric orbits which can be observed for these targets using existing and future astrometric facilities. Modeling was performed for the astrometric accuracy of 0.01, 0.1, and 1.0 mas, separation between WD and planet of 3 and 5 A.U., binary system separation of 30 A.U., planet masses of 10 Earth masses, 1 and 10 Jupiter masses, WD mass of 0.5M and 1.0 Solar masses, and distances to the system of 10, 20 and 30 pc. It was found that the PRIMA facility at the VLTI will be able to detect planets around white dwarfs once it is operating, by measuring the astrometric wobble of the WD due to a planet companion, down to 1 Jupiter mass. We show for the simulated observations that it is possible to model the orbits and find the parameters describing the potential planetary systems.
N2  - Bei von Sternen verursachten Mikrolinsen-Ereignissen beobachtet man meist symmetrische Lichtkurven einer einzelnen Linse oder asymmetrische Lichtkurven (oftmals mit Kaustik-Crossing), die durch Doppel-Linsen hervorgerufen werden. Im Prinzip kann aus der Zahl der gemessenen unsymmetrischen Ereignisse der Anteil der Doppelstern-Systeme in Abhängigkeit vom Winkelabstand abgeschätzt werden. Allerdings kann auch ein Doppelsystem Lichtkurven erzeugen, die gut mit einer Einzellinsen-Lichtkurve gefittet werden können. Die gilt insbesondere bei lückenhafter Messung oder grossen Messfehlern. In dieser Arbeit wird für verschiedene Beobachtungsbedingungen untersucht, wie häufig Lichtkurven, die von Doppellinsen mit unterschiedlichen Abständen erzeugt werden, gut mit Einzellinsen-Lichtkurven gefittet werden können und damit fehlinterpretiert werden. Es wurde herausgefunden, dass der Anteil fehlinterpretierter Lichtkurven stark von der Separation der Komponenten abhängig ist: das Minimum liegt zwischen 2 A.E. and 5 A.E. , wobei der Anteil immer noch 5% beträgt. Die Rate der Fehlinterpretationen ist höher für kurze Mikrolinsen-Ereignisse (bis zu wenigen Monaten) und für Ereignisse mit geringer Maximalverstärkung. Bei gleicher Separation steigt die Rate mit extremeren Massenverhältnissen an. Das Problem der Degenerierung zwischen den Lichtkurven für doppelte Linsensysteme und doppelte Hintergrund-Quellen wurde anhand simulierter Daten und mit Beobachtungsdaten des PLANET Projekts untersucht. Der Fit-Code BISCO, der den genetischen Algorithmus PIKAIA nutzt, wurde geschrieben, um Doppel-Linsen Lichtkurven, die von verschiedenen Observatorien in den photometrischen Bändern I, B, und V gemessen wurden, zu modellieren. Tests mit simulierten Daten haben gezeigt, dass BISCO in der Lage ist, in einem sehr weiten Parameterbereich die korrekte Lösung für die Lichtkurve einer Doppel-Linsen zu finden. In dieser Arbeit wird die Flussverhältnis-Methode empfohlen, um die Degenerierung zwischen Doppel-Linse und Doppel-Quelle aufzulösen. Modellierungen zeigen, dass nur wenige zusätzliche Datenpunkte im V-Band genügen, um zusammen mit einer vollständigen Lichtkurve im I-Band die Degenerierung aufzubrechen. Mit sehr guter Datenqualität und zeitlich dichten Messungen, kombiniert mit genauer Modellierung von Doppel-Linsen und Doppel-Quellen, gelang die Entdeckung des bisher masseärmsten Planeten ausserhalb des Sonnensystems: OGLE-2005-BLG-390Lb, mit nur 5.5 Erdmassen. Dies war das erste Mikrolinsen-Ereignis, bei dem die Degenerierung zwischen plantarer Doppel-Linse und einer Doppel-Quelle mit extremem Flussverhältnis erfolgreich aufgelöst wurde. Für die Ereignisse OGLE-2003-BLG-222 und OGLE-2004-BLG-347 besteht die Degenerierung trotz sehr dichter Messungen. Aufgrund der Lichtkurvenmodellierung und Argumenten aus der Theorie der Sternentwicklung ist die Erklärung von OGLE-2003-BLG-222 als Doppel-Quelle und OGLE-2004-BLG-347 als Doppel-Linsen Ereignis vorzuziehen. Allerdings kann die Degenerierung ohne spektrale Daten nicht vollständig aufgelöst werden. Bisher wurde kein Planet als Begleiter eines Weissen Zwerges gefunden, obwohl es möglich sein sollte, dass jupiterähnliche Planeten die Spätstadien der Sternentwicklung überleben und dass sich Weisse Zwerge Planetensysteme mit weiten Umlaufbahnen erhalten können. Wir planen hochgenaue astrometrische Beobachtungen von nahen Weissen Zwergen in weiten Doppelsystemen, um Planeten um Weisse Zwerge zu finden. Wir haben eine Stichprobe von Systemen zusammengestellt, in denen möglicherweise Planeten gefunden werden könnten. Wir haben synthetische astrometrische Orbits modelliert, die für diese Systeme mit existierenden und zukünftigen astrometrischen Instrumenten beobachtbar sind. Die Modellierungen wurden für astrometrische Genauigkeiten von 0.01, 0.1, 1.0 Mikrobogensekunden gerechnet. Als Abstände zwischen weissem Zwerg und Planet wurden 3, 5 und 10 Astronomische Einheiten angenommen, für den Abstand zwischen den Doppelsternkomponenten 30 A.E. Als Planetenmassen wurden 10 Erdmassen, bzw. 1 und 10 Jupitermassen gewählt, als Masse für den weissen Zwerg 0.5 und 1.0 Sonnenmassen. Die Distanzen zum System betragen 10 und 20 parsec. Als Resultat dieser Untersuchung wurde herausgefunden, dass das PRIMA Instrument am VLTI in der Lage sein wird, die astrometrischen Oszillationen, die ein Planet ab einer Jupitermasse verursacht, zu detektieren. Wir zeigen, dass es möglich sein wird, die Umlaufbahnen solcher Planeten zu modellieren und damit die Parameter dieser Planetensysteme zu bestimmen.
KW  - Mikrogravitationslinseneffekt
KW  - Astrometrie
KW  - Extrasolare Planeten
KW  - Microlensing
KW  - astrometry
KW  - extrasolar planets
Y1  - 2006
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-10814
ER  - 
TY  - THES
A1  - Hainich, Rainer
T1  - The Wolf-Rayet stars of the nitrogen sequence in environments of different metallicities
Y1  - 2015
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TY  - THES
A1  - Deneke, Carlus
T1  - Theory of mRNA degradation
T1  - Theoretische Beschreibung des Abbaus von mRNA
N2  - One of the central themes of biology is to understand how individual cells achieve a high fidelity in gene expression. Each cell needs to ensure accurate protein levels for its proper functioning and its capability to proliferate. Therefore, complex regulatory mechanisms have evolved in order to render the expression of each gene dependent on the expression level of (all) other genes. Regulation can occur at different stages within the framework of the central dogma of molecular biology. One very effective and relatively direct mechanism concerns the regulation of the stability of mRNAs. All organisms have evolved diverse and powerful mechanisms to achieve this. In order to better comprehend the regulation in living cells, biochemists have studied specific degradation mechanisms in detail. In addition to that, modern high-throughput techniques allow to obtain quantitative data on a global scale by parallel analysis of the decay patterns of many different mRNAs from different genes. In previous studies, the interpretation of these mRNA decay experiments relied on a simple theoretical description based on an exponential decay. However, this does not account for the complexity of the responsible mechanisms and, as a consequence, the exponential decay is often not in agreement with the experimental decay patterns. We have developed an improved and more general theory of mRNA degradation which provides a general framework of mRNA expression and allows describing specific degradation mechanisms. We have made an attempt to provide detailed models for the regulation in different organisms. In the yeast S. cerevisiae, different degradation pathways are known to compete and furthermore most of them rely on the biochemical modification of mRNA molecules. In bacteria such as E. coli, degradation proceeds primarily endonucleolytically, i.e. it is governed by the initial cleavage within the coding region. In addition, it is often coupled to the level of maturity and the size of the polysome of an mRNA. Both for S. cerevisiae and E. coli, our descriptions lead to a considerable improvement of the interpretation of experimental data. The general outcome is that the degradation of mRNA must be described by an age-dependent degradation rate, which can be interpreted as a consequence of molecular aging of mRNAs. Within our theory, we find adequate ways to address this much debated topic from a theoretical perspective. The improvements of the understanding of mRNA degradation can be readily applied to further comprehend the mRNA expression under different internal or environmental conditions such as after the induction of transcription or stress application. Also, the role of mRNA decay can be assessed in the context of translation and protein synthesis. The ultimate goal in understanding gene regulation mediated by mRNA stability will be to identify the relevance and biological function of different mechanisms. Once more quantitative data will become available, our description allows to elaborate the role of each mechanism by devising a suitable model.
N2  - Ein zentrales Ziel der modernen Biologie ist es, ein umfassendes Verständnis der Genexpression zu erlangen. Die fundamentalen Prozesse sind im zentralen Dogma der Genexpression zusammengefasst: Die genetische Information wird von DNA in Boten-RNAs (mRNA) transkribiert und im Prozess der Translation von mRNA in Proteine übersetzt. Zum Erhalt ihrer Funktionalität und der Möglichkeit von Wachstum und Fortpflanzung muss in jeder Zelle und für jedes Gen die optimale Proteinkonzentration akkurat eingestellt werden. Hierzu hat jeder Organismus detaillierte Regulationsmechanismen entwickelt. Regulation kann auf allen Stufen der Genexpression erfolgen, insbesondere liefert der Abbau der mRNA-Moleküle einen effizienten und direkten Kontrollmechanismus. Daher sind in allen Lebewesen spezifische Mechanismen - die Degradationsmechanismen - entstanden, welche aktiv den Abbau befördern. Um ein besseres Verständnis von den zugrunde liegenden Prozessen zu erlangen, untersuchen Biochemiker die Degradationsmechanismen im Detail. Gleichzeitig erlauben moderne molekularbiologische Verfahren die simultane Bestimmung der Zerfallskurven von mRNA für alle untersuchten Gene einer Zelle. Aus theoretischer Perspektive wird der Zerfall der mRNA-Menge als exponentieller Zerfall mit konstanter Rate betrachtet. Diese Betrachtung dient der Interpretation der zugrunde liegenden Experimente, berücksichtigt aber nicht die fundierten Kenntnisse über die molekularen Mechanismen der Degradation. Zudem zeigen viele experimentelle Studien ein deutliches Abweichen von einem exponentiellen Zerfall. In der vorliegenden Doktorarbeit wird daher eine erweiterte theoretische Beschreibung für die Expression von mRNA-Molekülen eingeführt. Insbesondere lag der Schwerpunkt auf einer verbesserten Beschreibung des Prozesses der Degradation. Die Genexpression kann als ein stochastischer Prozess aufgefasst werden, in dem alle Einzelprozesse auf zufällig ablaufenden chemischen Reaktionen basieren. Die Beschreibung erfolgt daher im Rahmen von Methoden der stochastischen Modellierung. Die fundamentale Annahme besteht darin, dass jedes mRNA-Molekül eine zufällige Lebenszeit hat und diese Lebenszeit für jedes Gen durch eine statistische Lebenszeitverteilung gegeben ist. Ziel ist es nun, spezifische Lebenszeitverteilungen basierend auf den molekularen Degradationsmechanismen zu finden. In dieser Arbeit wurden theoretische Modelle für die Degradation in zwei verschiedenen Organismen entwickelt. Zum einen ist bekannt, dass in eukaryotischen Zellen wie dem Hefepilz S. cerevisiae mehrere Mechanismen zum Abbau der mRNA-Moleküle in Konkurrenz zueinander stehen. Zudem ist der Abbau durch mehrere geschwindigkeitsbestimmende biochemische Schritte charakterisiert. In der vorliegenden Arbeit wurden diese Feststellungen durch ein theoretisches Modell beschrieben. Eine Markow-Kette stellte sich als sehr erfolgreich heraus, um diese Komplexität in eine mathematisch-fassbare Form abzubilden. Zum anderen wird in Kolibakterien die Degradation überwiegend durch einen initialen Schnitt in der kodierenden Sequenz der mRNA eingeleitet. Des Weiteren gibt es komplexe Wechselwirkungen mit dem Prozess der Translation. Die dafür verantwortlichen Enzyme - die Ribosomen - schützen Teile der mRNA und vermindern dadurch deren Zerfall. In der vorliegenden Arbeit wurden diese Zusammenhänge im Rahmen eines weiteren spezifischen, theoretischen Modells untersucht. Beide Mechanismen konnten an experimentellen Daten verifiziert werden. Unter anderem konnten dadurch die Interpretation der Zerfallsexperimente deutlich verbessert und fundamentale Eigenschaften der mRNA-Moleküle bestimmt werden. Ein Vorteil der statistischen Herangehensweise in dieser Arbeit liegt darin, dass theoretische Konzepte für das molekulare Altern der mRNAs entwickelt werden konnten. Mit Hilfe dieser neuentwickelten Methode konnte gezeigt werden, dass sich die Komplexität der Abbaumechanismen in einem Alterungsprozess manifestiert. Dieser kann mit der Lebenserwartung von einzelnen mRNA-Molekülen beschrieben werden. In dieser Doktorarbeit wurde eine verallgemeinerte theoretische Beschreibung des Abbaus von mRNAMolek ülen entwickelt. Die zentrale Idee basiert auf der Verknüpfung von experimentellen Zerfallsmessungen mit den biochemischen Mechanismen der Degradation. In zukünftigen experimentellen Untersuchungen können die entwickelten Verfahren angewandt werden, um eine genauere Interpretation der Befunde zu ermöglichen. Insbesondere zeigt die Arbeit auf, wie verschiedene Hypothesen über den Degradationsmechanismus anhand eines geeigneten mathematischen Modells durch quantitative Experimente verifiziert oder falsifiziert werden können.
KW  - Abbau von Boten-RNS
KW  - Stochastische Genexpression
KW  - Posttranskriptionale Genregulation
KW  - Nichtexponentieller Zerfall von mRNA
KW  - Molekulares Altern
KW  - Degradation of messenger RNA
KW  - Stochastic gene expression
KW  - Post-transcriptional gene regulation
KW  - Non-exponential mRNA decay
KW  - Molecular Aging
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-61998
ER  - 
TY  - THES
A1  - Daschewski, Maxim
T1  - Thermophony in real gases
T1  - Das Thermophon
BT  - theory and applications
BT  - Theorie und Anwendung
N2  - A thermophone is an electrical device for sound generation. The advantages of thermophones over conventional sound transducers such as electromagnetic, electrostatic or piezoelectric transducers are their operational principle which does not require any moving parts, their resonance-free behavior, their simple construction and their low production costs. 
In this PhD thesis, a novel theoretical model of thermophonic sound generation in real gases has been developed. The model is experimentally validated in a frequency range from 2 kHz to 1 MHz by testing more then fifty thermophones of different materials, including Carbon nano-wires, Titanium, Indium-Tin-Oxide, different sizes and shapes for sound generation in gases such as air, argon, helium, oxygen, nitrogen and sulfur hexafluoride.
Unlike previous approaches, the presented model can be applied to different kinds of thermophones and various gases, taking into account the thermodynamic properties of thermophone materials and of adjacent gases, degrees of freedom and the volume occupied by the gas atoms and molecules, as well as sound attenuation effects, the shape and size of the thermophone surface and the reduction of the generated acoustic power due to photonic emission. As a result, the model features better prediction accuracy than the existing models by a factor up to 100. Moreover, the new model explains previous experimental findings on thermophones which can not be explained with the existing models. 
The acoustic properties of the thermophones have been tested in several gases using unique, highly precise experimental setups comprising a Laser-Doppler-Vibrometer combined with a thin polyethylene film which acts as a broadband and resonance-free sound-pressure detector. Several outstanding properties of the thermophones have been demonstrated for the first time, including the ability to generate arbitrarily shaped acoustic signals, a greater acoustic efficiency compared to conventional piezoelectric and electrostatic airborne ultrasound transducers, and applicability as powerful and tunable sound sources with a bandwidth up to the megahertz range and beyond. 
Additionally, new applications of thermophones such as the study of physical properties of gases, the thermo-acoustic gas spectroscopy, broad-band characterization of transfer functions of sound and ultrasound detection systems, and applications in non-destructive materials testing are discussed and experimentally demonstrated.
N2  - Ein Thermophon ist ein elektrisches Gerät zur Schallerzeugung. Aufgrund der fehlenden beweglichen Teile verfügen Thermophone über mehrere Vorteile gegenüber den herkömmlichen elektromagnetischen, elektrostatischen oder piezoelektrischen Schallwandlern. Besonders bemerkenswert sind das resonanz- und nachschwingungsfreie Verhalten, die einfache Konstruktion und die niedrigen Herstellungskosten.
Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurde ein neuartiges theoretisches Modell der thermophonischen Schallerzeugung in Gasen entwickelt und experimentell verifiziert. Zur Validierung des Modells wurden mehr als fünfzig Thermophone unterschiedlicher Größen,  Formen und Materialien, darunter Kohlenstoff-Nanodrähte, Titan und Indium-Zinnoxid zur Erzeugung von Schall in Gasen wie Luft, Argon, Helium, Sauerstoff, Stickstoff und Schwefelhexafluorid in einem Frequenzbereich von 2 kHz bis 1 MHz eingesetzt.
Das präsentierte Modell unterscheidet sich von den bisherigen Ansätzen durch seine hohe Flexibilität, wobei die thermodynamischen Eigenschaften des Thermophons und des umgebenden Gases, die Freiheitsgrade und das Eigenvolumen der Gasatome und Moleküle, die Schallschwächungseffekte, die Form und Größe des Thermophons, sowie die Verringerung der erzeugten akustischen Leistung aufgrund der Photonenemission berücksichtigt werden. Infolgedessen zeigt das entwickelte Modell eine um bis zu einem Faktor 100 höhere Vorhersagegenauigkeit als die bisher veröffentlichten Modelle. Das präsentierte Modell liefert darüber hinaus eine Erklärung zu den Ergebnissen aus den Vorarbeiten, die von den bisherigen Modellen nicht abschließend geklärt werden konnten.
Die akustischen Eigenschaften der Thermophone wurden unter Verwendung von einzigartigen hochpräzisen Versuchsaufbauten getestet. Dafür wurde ein Laser-Doppler-Vibrometer in Kombination mit einer dünnen Polyethylenfolie verwendet, welche als breitbrandiger und resonanzfreier Schalldruckdetektor fungiert. Somit konnten mehrere herausragende akustische Eigenschaften der Thermophone zum ersten Mal demonstriert werden, einschließlich der Möglichkeit, beliebig geformte akustische Signale zu erzeugen, eine größere akustische Wirksamkeit im Vergleich zu herkömmlichen Luftultraschallwandlern und die Anwendbarkeit als leistungsfähige beliebig abstimmbare Schallquellen mit einer Bandbreite bis in den Megahertz-Bereich. 
Zusätzlich werden neue Anwendungen von Thermophonen wie die Untersuchung der physikalischen Eigenschaften von Gasen, die thermoakustische Gasspektroskopie, eine breitbandige Charakterisierung der Übertragungsfunktionen von Schall- und Ultraschallmesssystemen und Anwendungen in der zerstörungsfreien Materialprüfung demonstriert.
KW  - thermophone
KW  - thermoacoustics
KW  - thermoacoustic effect
KW  - photoacoustic effect
KW  - Thermophon
KW  - Thermoakustik
KW  - thermoakustischer Effekt
KW  - photoakustischer Effekt
Y1  - 2016
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-98866
ER  - 
TY  - THES
A1  - Flores Suárez, Rosaura
T1  - Three-dimensional polarization probing in polymer ferroelectrics, polymer-dispersed liquid crystals, and polymer ferroelectrets
T1  - Dreidimensionale Polarisationsmessung in polymeren Ferroelektrika, polymerdispergierten Flüssigkristallen und polymeren Ferroelektreten
N2  - A key non-destructive technique for analysis, optimization and developing of new functional materials such as sensors, transducers, electro-optical and memory devices is presented. The Thermal-Pulse Tomography (TPT) provides high-resolution three-dimensional images of electric field and polarization distribution in a material. This thermal technique use a pulsed heating by means of focused laser light which is absorbed by opaque electrodes. The diffusion of the heat causes changes in the sample geometry, generating a short-circuit current or change in surface potential, which contains information about the spatial distribution of electric dipoles or space charges. Afterwards, a reconstruction of the internal electric field and polarization distribution in the material is possible via Scale Transformation or Regularization methods. In this way, the TPT was used for the first time to image the inhomogeneous ferroelectric switching in polymer ferroelectric films (candidates to memory devices). The results shows the typical pinning of electric dipoles in the ferroelectric polymer under study and support the previous hypotheses of a ferroelectric reversal at a grain level via nucleation and growth. In order to obtain more information about the impact of the lateral and depth resolution of the thermal techniques, the TPT and its counterpart called Focused Laser Intensity Modulation Method (FLIMM) were implemented in ferroelectric films with grid-shaped electrodes. The results from both techniques, after the data analysis with different regularization and scale methods, are in total agreement. It was also revealed a possible overestimated lateral resolution of the FLIMM and highlights the TPT method as the most efficient and reliable thermal technique. After an improvement in the optics, the Thermal-Pulse Tomography method was implemented in polymer-dispersed liquid crystals (PDLCs) films, which are used in electro-optical applications. The results indicated a possible electrostatic interaction between the COH group in the liquid crystals and the fluorinate atoms of the used ferroelectric matrix. The geometrical parameters of the LC droplets were partially reproduced as they were compared with Scanning Electron Microscopy (SEM) images. For further applications, it is suggested the use of a non-strong-ferroelectric polymer matrix. In an effort to develop new polymerferroelectrets and for optimizing their properties, new multilayer systems were inspected. The results of the TPT method showed the non-uniformity of the internal electric-field distribution in the shaped-macrodipoles and thus suggested the instability of the sample. Further investigation on multilayers ferroelectrets was suggested and the implementation of less conductive polymers layers too.
N2  - In dieser Arbeit wird eine zerstörungsfreie Technik zur Analyse, Optimierung, und Entwicklung neuer funktioneller Materialien für Sensoren, Wandler, Speicher und elektrooptische Anwendungen vorgestellt. Die Wärmepuls-Tomographie (engl. Thermal-Pulse Tomography, TPT) liefert dreidimensionale Abbildungen hoher Auflösung von elektrischen Feldern und Polarisationsverteilungen eines Materials. Bei dieser thermischen Methode wird ein fokussierter, gepulster Laserstrahl durch eine undurchsichtige Oberflächenelektrode absorbiert, welche sich dadurch aufheizt. Die einsetzende Wärmediffusion führt – aufgrund der Wärmeausdehnung des Materials – zu Änderungen der Probengeometrie, welche in pyroelektrischen Materialien einen Kurzschlussstrom oder eine Änderung des Oberflächenpotentials zur Folge hat. Diese wiederum enthalten wichtige Informationen über die räumliche Verteilung elektrischer Dipole und Raumladungen im untersuchten Material. Aus dem gemessenen Kurzsschlussstrom kann anschließend das interne elektrische Feld und die Polarisationsverteilung im Material mittels verschiedener Skalentransformations- und Regularisierungsmethoden rekonstruiert werden. Auf diese Weise ermöglichte die TPT-Methode erstmals die Darstellung inhomogener ferroelektrischer Schaltvorgänge in polymeren ferroelektrischen Filmen, welche mögliche Materialien für die Datenspeicherung sind. Die Ergebnisse zeigen eine typische Haftschicht im ferroelektrischen Polymer und unterstützen die Hypothese einer ferroelektrischen Umpolung auf einer der Korngröße äquivalenten Längenskala über Keimbildung und anschließendes Wachstum. Um die Lateral- und Tiefenauflösung zu untersuchen, wurden sowohl die TPT-Methode als auch die äquivalente Methode in der Zeitdomäne (Focused Laser Intensity Modulation Method, FLIMM) auf ferroelektrischen Filme mit Gitterelektroden angewendet. Die Ergebnisse beider Techniken zeigen nach der Datenauswertung mit unterschiedlichen Regularisierungs- und Scale-Methoden eine vollkommene Übereinstimmung. Des Weiteren stellte sich heraus, dass bisherige Untersuchungen der lateralen Auflösung von FLIMM diese möglicherweise überschätzen. Damit behauptet sich TPT als effiziente und verlässliche thermische Methode. Nach einer Optimierung der Optik wurde die TPT-Methode in polymerdispergierten Flüssigkristallen (polymer-dispersed liquid crystals, PDLC), welche in elektrooptischen Anwendungen von Interesse sind, angewendet. Die Ergebnisse deuten auf eine mögliche elektrostatischeWechselwirkung zwischen den COH-Gruppen des Flüssigkristalls und den Fluoratomen der verwendeten ferroelektrischen Matrix hin. Die durch rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen (scanning electron microscopy, SEM) gewonnenen geometrischen Parameter der Flüssigkristalltröpfchen konnten mittels TPT reproduziert werden. Für weitere Anwendungen werden schwach ferroelektrische Polymermatrices vorgeschlagen. Im Bestreben neue polymere Ferroelektrete zu entwickeln und deren Eigenschaften zu optimieren, wurden neuartige Mehrschichtsysteme untersucht. Die Ergebnisse aus der TPT-Methode zeigen eine Abweichung der Uniformität der inneren Verteilung des elektrischen Feldes in den geformten Makrodipolen, was auf eine Instabilität der Probe hindeutet. Ebenfalls wurden weitere Untersuchungen an Mehrschicht-Ferroelektreten und die Anwendung von halbleitenden Polymerschichten vorgeschlagen.
KW  - Ferroelektrik
KW  - Ferroelektrete
KW  - Wärmepuls-Tomographie
KW  - Polarisationsverteilung
KW  - Flüssigkristalle
KW  - Polarization distribution
KW  - Ferroelectrics
KW  - PDLC
KW  - Ferroelectrets
KW  - Thermal-Pulse Tomography
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-60173
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TY  - THES
A1  - Mayer, Dennis
T1  - Time-resolved x-ray spectroscopy of 2-thiouracil
T1  - Zeitaufgelöste Röntgenspektroskopie an 2-Thiouracil
N2  - In this thesis, I present my contributions to the field of ultrafast molecular spectroscopy. Using the molecule 2-thiouracil as an example, I use ultrashort x-ray pulses from free- electron lasers to study the relaxation dynamics of gas-phase molecular samples. Taking advantage of the x-ray typical element- and site-selectivity, I investigate the charge flow and geometrical changes in the excited states of 2-thiouracil.
In order to understand the photoinduced dynamics of molecules, knowledge about the ground-state structure and the relaxation after photoexcitation is crucial. Therefore, a part of this thesis covers the electronic ground-state spectroscopy of mainly 2-thiouracil to provide the basis for the time-resolved experiments. Many of the previously published studies that focused on the gas-phase time-resolved dynamics of thionated uracils after UV excitation relied on information from solution phase spectroscopy to determine the excitation energies. This is not an optimal strategy as solvents alter the absorption spec- trum and, hence, there is no guarantee that liquid-phase spectra resemble the gas-phase spectra. Therefore, I measured the UV-absorption spectra of all three thionated uracils to provide a gas-phase reference and, in combination with calculations, we determined the excited states involved in the transitions.
In contrast to the UV absorption, the literature on the x-ray spectroscopy of thionated uracil is sparse. Thus, we measured static photoelectron, Auger-Meitner and x-ray absorption spectra on the sulfur L edge before or parallel to the time-resolved experiments we performed at FLASH (DESY, Hamburg). In addition, (so far unpublished) measurements were performed at the synchrotron SOLEIL (France) which have been included in this thesis and show the spin-orbit splitting of the S 2p photoline and its satellite which was not observed at the free-electron laser.
The relaxation of 2-thiouracil has been studied extensively in recent years with ultrafast visible and ultraviolet methods showing the ultrafast nature of the molecular process after photoexcitation. Ultrafast spectroscopy probing the core-level electrons provides a complementary approach to common optical ultrafast techniques. The method inherits its local sensitivity from the strongly localised core electrons. The core energies and core-valence transitions are strongly affected by local valence charge and geometry changes, and past studies have utilised this sensitivity to investigate the molecular process reflected by the ultrafast dynamics. We have built an apparatus that provides the requirements to perform time-resolved x-ray spectroscopy on molecules in the gas phase. With the apparatus, we performed UV-pump x-ray-probe electron spectroscopy on the S 2p edge of 2-thiouracil using the free-electron laser FLASH2. While the UV triggers the relaxation dynamics, the x-ray probes the single sulfur atom inside the molecule. I implemented photoline self-referencing for the photoelectron spectral analysis. This minimises the spectral jitter of the FEL, which is due to the underlying self-amplified spontaneous emission (SASE) process. With this approach, we were not only able to study dynamical changes in the binding energy of the electrons but also to detect an oscillatory behaviour in the shift of the observed photoline, which we associate with non-adiabatic dynamics involving several electronic states. Moreover, we were able to link the UV-induced shift in binding energy to the local charge flow at the sulfur which is directly connected to the electronic state. Furthermore, the analysis of the Auger-Meitner electrons shows that energy shifts observed at early stages of the photoinduced relaxation are related to the geometry change in the molecule. More specifically, the observed increase in kinetic energy of the Auger-Meitner electrons correlates with a previously predicted C=S bond stretch.
N2  - In dieser Arbeit präsentiere ich meine Beiträge zum Gebiet der ultraschnellen Molekülspektroskopie. Am Beispiel des Moleküls 2-Thiouracil verwende ich ultrakurze Röntgenpulse von Freie-Elektronen-Lasern, um die Relaxationsdynamik von Molekülproben in der Gasphase zu untersuchen. Unter Ausnutzung der für Röntgenstrahlung typischen Element- und Ortsselektivität untersuche ich den Ladungsfluss und die geometrischen Veränderungen in den angeregten Zuständen von 2-Thiouracil.
Um die photoinduzierte Dynamik von Molekülen zu verstehen, ist das Wissen über die Grundzustandsstruktur und die Relaxation nach Photoanregung entscheidend. Daher befasst sich ein Teil dieser Arbeit mit der elektronischen Grundzustandsspektroskopie von 2-Thiouracil, um die Grundlage für die zeitaufgelösten Experimente zu schaffen. Viele der bisher veröffentlichten Studien, die sich mit der zeitaufgelösten Dynamik von Thiouracilen in der Gasphase nach UV-Anregung befassten, stützten sich zur Bestimmung der Anregungsenergien auf Informationen aus der Spektroskopie in Lösung. Dies ist nicht optimal, da Lösungsmittel das Absorptionsspektrum verändern und es daher keine Garantie dafür gibt, dass die Spektren in Lösung den Spektren der Gasphase ähneln. Daher habe ich die UV-Absorptionsspektren aller drei Thiouracile gemessen, um eine Referenz für die Gasphase zu erhalten, und in Kombination mit Berechnungen die an den Übergängen beteiligten angeregten Zustände bestimmt.
Im Gegensatz zur UV-Absorption ist die Literatur zur Röntgenspektroskopie von thioniertem Uracil spärlich. Daher haben wir statische Photoelektronen-, Auger-Meitner- und Röntgenabsorptionsspektren an der Schwefel-L-Kante vor oder parallel zu den zeitaufgelösten Experimenten an FLASH (DESY, Hamburg) gemessen. Darüber hinaus wurden (bisher unveröffentlichte) Messungen am Synchrotron SOLEIL (Frankreich) durchgeführt, die in diese Arbeit eingeflossen sind und die Spin-Orbit-Aufspaltung der S 2p-Photolinie und ihres Satelliten zeigen, die am Freie-Elektronen-Laser nicht beobachtet wurde. 
Die Relaxation von 2-Thiouracil wurde in den letzten Jahren ausgiebig mit ultraschnellen Methoden im sichtbaren und ultravioletten Spektralbereich untersucht, die die ultraschnelle Natur des molekularen Prozesses nach der Photoanregung zeigen. Die ultraschnelle Spektroskopie, bei der die Elektronen des Kernniveaus untersucht werden, bietet einen ergänzenden Ansatz zu den üblichen optischen Techniken. Die Methode erhält ihre lokale Empfindlichkeit durch die stark lokalisierten Kernelektronen. Die Kernenergien und Kern-Valenz-Übergänge werden stark von lokalen Valenzladungs- und Geometrieänderungen beeinflusst, und frühere Studien haben diese Empfindlichkeit genutzt, um den molekularen Prozess zu untersuchen, der sich in der ultraschnellen Dynamik widerspiegelt. Wir haben eine Apparatur gebaut, die die Voraussetzungen für die Durchführung zeitaufgelöster Röntgenspektroskopie an Molekülen in der Gasphase bietet. Mit dieser Apparatur haben wir Anregungs-Abfrage-Elektronenspektroskopie an der S 2p-Kante von 2-Thiouracil an dem Freie-Elektronen-Laser FLASH2 durchgeführt. Zuerst triggert ein UV-Puls die Relaxationsdynamik und anschließend tastet ein Röntgenpuls das einzelne Schwefelatom im Inneren des Moleküls ab. Für die Analyse der Photoelektronenspektren habe ich eine Selbstrefernzierung der Photolinie implementiert, mit deren Hilfe der spektrale Jitter des FEL minimiert werden konnte. Dieser ist auf den zugrunde liegenden Prozess der selbstverstärkten spontanen Emission (SASE) zurückzuführen. Mit diesem Ansatz konnten wir nicht nur dynamische Veränderungen in der Bindungsenergie der Elektronen untersuchen, sondern auch ein oszillierendes Verhalten in der Verschiebung der beobachteten Photolinie feststellen, das wir mit einer nicht-adiabatischen Dynamik in Verbindung bringen, an der mehrere elektronische Zustände beteiligt sind. Außerdem konnten wir die UV-induzierte Verschiebung der Bindungsenergie mit dem lokalen Ladungsfluss am Schwefel in Verbindung bringen, der direkt mit dem elektronischen Zustand verbunden ist. Darüber hinaus zeigt die Analyse der Auger-Meitner-Elektronen, dass die in frühen Stadien der photoinduzierten Relaxation beobachteten Energieverschiebungen mit der Geometrieänderung des Moleküls zusammenhängen. Genauer gesagt korreliert der beobachtete Anstieg der kinetischen Energie der Auger-Meitner-Elektronen mit einer zuvor vorhergesagten Dehnung der C=S-Bindung.
KW  - thiouracil
KW  - ultrafast molecular dynamics
KW  - x-ray spectroscopy
KW  - Auger-Meitner electron spectroscopy
KW  - photoelectron spectroscopy
KW  - free-electron laser
KW  - FLASH
KW  - excited-state chemical shift
KW  - Thiouracil
KW  - ultraschnelle Moleküldynamik
KW  - Röntgenspektroskopie
KW  - Photoelektronenspektroskopie
KW  - pump-probe spectroscopy
KW  - Freie-Elektronen-Laser
KW  - Anregungs-Abfrage-Spektroskopie
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-571636
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TY  - THES
A1  - Krämer, Kai Hauke
T1  - Towards a robust framework for recurrence analysis
BT  - automated state space reconstruction, optimal parameter selection and correction schemes
N2  - In our daily life, recurrence plays an important role on many spatial and temporal scales and in different contexts. It is the foundation of learning, be it in an evolutionary or in a neural context. It therefore seems natural that recurrence is also a fundamental concept in theoretical dynamical systems science. The way in which states of a system recur or develop in a similar way from similar initial states makes it possible to infer information about the underlying dynamics of the system. The mathematical space in which we define the state of a system (state space) is often high dimensional, especially in complex systems that can also exhibit chaotic dynamics. The recurrence plot (RP) enables us to visualize the recurrences of any high-dimensional systems in a two-dimensional, binary representation. Certain patterns in RPs can be related to physical properties of the underlying system, making the qualitative and quantitative analysis of RPs an integral part of nonlinear systems science. The presented work has a methodological focus and further develops recurrence analysis (RA) by addressing current research questions related to an increasing amount of available data and advances in machine learning techniques. By automatizing a central step in RA, namely the reconstruction of the state space from measured experimental time series, and by investigating the impact of important free parameters this thesis aims to make RA more accessible to researchers outside of physics.
The first part of this dissertation is concerned with the reconstruction of the state space from time series. To this end, a novel idea is proposed which automates the reconstruction problem in the sense that there is no need to preprocesse the data or estimate parameters a priori. The key idea is that the goodness of a reconstruction can be evaluated by a suitable objective function and that this function is minimized in the embedding process. In addition, the new method can process multivariate time series input data. This is particularly important because multi-channel sensor-based observations are ubiquitous in many research areas and continue to increase. Building on this, the described minimization problem of the objective function is then processed using a machine learning approach.
In the second part technical and methodological aspects of RA are discussed. First, we mathematically justify the idea of setting the most influential free parameter in RA, the recurrence threshold ε, in relation to the distribution of all pairwise distances in the data. This is especially important when comparing different RPs and their quantification statistics and is fundamental to any comparative study. Second, some aspects of recurrence quantification analysis (RQA) are examined. As correction schemes for biased RQA statistics, which are based on diagonal lines, we propose a simple method for dealing with border effects of an RP in RQA and a skeletonization algorithm for RPs. This results in less biased (diagonal line based) RQA statistics for flow-like data. Third, a novel type of RQA characteristic is developed, which can be viewed as a generalized non-linear powerspectrum of high dimensional systems. The spike powerspectrum transforms a spike-train like signal into its frequency domain. When transforming the diagonal line-dependent recurrence rate (τ-RR) of a RP in this way, characteristic periods, which can be seen in the state space representation of the system can be unraveled. This is not the case, when Fourier transforming τ-RR.
Finally, RA and RQA are applied to climate science in the third part and neuroscience in the fourth part. To the best of our knowledge, this is the first time RPs and RQA have been used to analyze lake sediment data in a paleoclimate context. Therefore, we first elaborate on the basic formalism and the interpretation of visually visible patterns in RPs in relation to the underlying proxy data. We show that these patterns can be used to classify certain types of variability and transitions in the Potassium record from six short (< 17m) sediment cores collected during the Chew Bahir Drilling Project. Building on this, the long core (∼ m composite) from the same site is analyzed and two types of variability and transitions are
identified and compared with ODP Site  wetness index from the eastern Mediterranean. Type  variability likely reflects the influence of precessional forcing in the lower latitudes at times of maximum values of the long eccentricity cycle ( kyr) of the earth’s orbit around the sun, with a tendency towards extreme events. Type  variability appears to be related to the minimum values of this cycle and corresponds to fairly rapid transitions between relatively dry and relatively wet conditions.
In contrast, RQA has been applied in the neuroscientific context for almost two decades. In the final part, RQA statistics are used to quantify the complexity in a specific frequency band of multivariate EEG (electroencephalography) data. By analyzing experimental data, it can be shown that the complexity of the signal measured in this way across the sensorimotor cortex decreases as motor tasks are performed. The results are consistent with and comple- ment the well known concepts of motor-related brain processes. We assume that the thus discovered features of neuronal dynamics in the sensorimotor cortex together with the robust RQA methods for identifying and classifying these contribute to the non-invasive EEG-based development of brain-computer interfaces (BCI) for motor control and rehabilitation.
The present work is an important step towards a robust analysis of complex systems based on recurrence.
N2  - In unserem täglichen Leben spielt die Rekurrenz auf vielen räumlichen und zeitlichen Skalen und in verschiedenen Kontexten eine bedeutende Rolle. Es ist die Grundlage des Lernens, sei es in einem evolutionären oder in einem neuronalen Kontext. Es erscheint daher selbstverständ- lich, dass Rekurrenz auch ein grundlegendes Konzept in der dynamischen Systemwissenschaft ist. In diesem Zusammenhang ermöglicht die Art und Weise, wie sich Zustände eines Systems wiederholen oder sich auf ähnliche Weise aus ähnlichen Anfangszuständen entwickeln, Infor- mationen über die zugrunde liegende Dynamik des Systems abzuleiten. Der mathematische Raum, in dem wir den Zustand eines Systems definieren (Zustandsraum), ist häufig hoch- dimensional, insbesondere in komplexen Systemen, die darüberhinaus auch eine chaotische Dynamik aufweisen können. Der Rekurrenzplot (RP) ermöglicht es uns, die Rekurrenzen beliebiger hochdimensionaler Systeme in einer zweidimensionalen, binären Darstellung zu visualisieren. Bestimmte Muster in RPs können mit physikalischen Eigenschaften des zugrunde liegenden Systems in Beziehung gesetzt werden, wodurch die qualitative und quantitative Analyse von RPs ein integraler Bestandteil der nichtlinearen Systemwissenschaft wird. Die vorgestellte Arbeit hat einen methodischen Schwerpunkt und entwickelt die Rekurrenzsana- lyse (RA) weiter, indem sie sich mit aktuellen Forschungsfragen befasst, die sich auf eine zunehmende Menge verfügbarer Daten und Fortschritte beim maschinellen Lernen beziehen. Durch die Automatisierung eines zentralen Schritts in der RA, nämlich der Rekonstruktion des Zustandsraums aus gemessenen experimentellen Zeitreihen, und durch die Untersuchung der Auswirkungen wichtiger freier Parameter soll die RA für Forscher außerhalb der Physik zugänglicher gemacht werden.
Der erste Teil dieser Dissertation befasst sich mit der Rekonstruktion des Zustandsraums aus Zeitreihen. Hierzu wird eine neue Idee vorgeschlagen, die das Rekonstruktionsproblem so automatisiert, dass weder die Daten vorverarbeitet noch a priori Parameter geschätzt werden müssen. Die Schlüsselidee ist, dass die Güte einer Rekonstruktion durch eine geeignete Kostenfunktion evaluiert werden kann und diese Funktion im Einbettungsprozess minimiert wird. Darüber hinaus kann die neue Methode multivariate Zeitreihen-Eingabedaten verarbei- ten. Das ist insbesondere deshalb von großer Bedeutung, da mehrkanalige sensorgestützte Beobachtungen in vielen Forschungsbereichen allgegenwärtig sind und weiterhin zunehmen. Darauf aufbauend wird dann das beschriebene Minimierungsproblem der Kostenfunktion mit einem Ansatz des maschinellen Lernens bearbeitet.
Im zweiten Teil werden einige technische und methodische Aspekte der RA erörtert. Zu- nächst begründen wir mathematisch die Idee, den einflussreichsten freien Parameter in der RA, den Rekurrenzgrenzwert ε, in Bezug auf die Verteilung aller paarweisen Abstände in den Daten festzulegen. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn verschiedene RPs und ihre Quantifizierungsstatistiken verglichen werden, und ist für jede vergleichende Studie von grundlegender Bedeutung. Zweitens werden einige Aspekte der Rekurrenzquantifizierungs- analyse (RQA) untersucht. Als Korrekturschemata für verzerrte RQA-Statistiken, welche auf diagonalen Linien basierenden, schlagen wir eine einfache Methode zum Umgang mit Randeffekten von RPs in der RQA und einen Skeletonisierungsalgorithmus für RPs vor. Dies sorgt in der Folge zu weniger verzerrten (auf diagonalen Linien basierenden) RQA-Statistiken für hoch abgetastete Daten. Drittens wird eine neuartige RQA-Charakteristik entwickelt, die als verallgemeinertes, nichtlineares Leistungsspektrum hochdimensionaler Systeme angesehen werden kann. Das Spike-Powerspectrum transformiert ein Spike-train-ähnliches Signal in seinen Frequenzbereich. Wenn die diagonallinienabhängige Rekurrenzsrate (τ-RR) eines RP auf diese Weise transformiert wird, können charakteristische Perioden, die in der Zustands- raumdarstellung des Systems erkennbar sind, entschlüsselt werden. Dies ist nicht der Fall, wenn die τ-RR Fourier-transformiert wird.
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Schließlich werden RA und RQA im dritten Teil auf Paläoklima-Seesedimentdaten und im vierten Teil auf EEG-Daten (Elektroenzephalographie) angewendet. Nach unserem besten Wissen ist dies das erste Mal, dass RPs und RQA für die Analyse von Seesedimentdaten in einem Paläoklima-Kontext verwendet wurden. Daher wird zunächst an dem grundlegenden Formalismus und der Interpretation visuell sichtbarer Muster in RPs in Bezug auf die zugrunde liegenden Proxy-Daten gearbeitet. Wir zeigen, dass diese Muster verwendet werden können, um bestimmte Arten von Variabilität und Übergängen im Kaliumdatensatz von sechs kurzen (< 17m) Sedimentkernen zu klassifizieren, die während des Chew Bahir-Bohrprojekts gesammelt wurden. Darauf aufbauend wird der lange Kern (∼ m composite) desselben Standorts analysiert und zwei Arten von Variabilität und Übergängen werden identifiziert und mit dem Feuchtigkeitsindex des ODP-Standorts  aus dem östlichen Mittelmeerraum verglichen. Die Variabilität vom Typ  spiegelt wahrscheinlich den Einfluss des Präzessionsantriebs in den unteren Breiten zu Zeiten mit Maximalwerten des langen Exzentrizitätszyklus ( kyr) der Erdumlaufbahn um die Sonne wider, wobei die Tendenz zu extremen Ereignissen besteht. Die Variabilität vom Typ  scheint mit den lokalen Minima dieses Zyklus verbunden zu sein und entspricht ziemlich schnellen Übergängen zwischen relativ trockenen und relativ nassen Bedingungen.
Im Gegensatz dazu wird RQA seit fast zwei Jahrzehnten im neurowissenschaftlichen Kontext angewendet. Im letzten Teil werden RQA-Statistiken zur Quantifizierung der Komplexität in einem bestimmten Frequenzband multivariater EEG-Daten verwendet. Durch die Analyse experimenteller Daten kann gezeigt werden, dass die Komplexität des auf diese Weise über den sensomotorischen Kortex gemessenen Signals abnimmt, wenn motorische Aufgaben ausgeführt werden. Die Ergebnisse stimmen mit den bekannten Konzepten motorischer Gehirnprozesse überein und ergänzen diese. Wir nehmen an, dass die so entdeckten Merkmale der neuronalen Dynamik im sensomotorischen Kortex zusammen mit den robusten RQA-Methoden zur Identifizierung und Klassifizierung dieser zu der nicht-invasiven EEG-basierten Entwicklung von Gehirn-Computer-Schnittstellen (BCI) und zur motorischen Steuerung und Rehabilitation beitragen werden.
Die vorliegende Arbeit ist ein wichtiger Schritt zu einer robusten Analyse komplexer Systeme basierend auf Rekurrenz.
KW  - recurrence
KW  - state space reconstruction
KW  - embedding
KW  - recurrence analysis
KW  - recurrence quantification analysis
KW  - Einbettung
KW  - Rekurrenz
KW  - Rekurrenzanalyse
KW  - quantifizierende Rekurrenzanalyse
KW  - Zustandsraumrekonstruktion/Phasenraumrekonstruktion
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-538743
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TY  - THES
A1  - Köhler, Raphael
T1  - Towards seasonal prediction: stratosphere-troposphere coupling in the atmospheric model ICON-NWP
N2  - Stratospheric variability is one of the main potential sources for sub-seasonal to seasonal predictability in mid-latitudes in winter. Stratospheric pathways play an important role for long-range teleconnections between tropical phenomena, such as the quasi-biennial oscillation (QBO) and El Niño-Southern Oscillation (ENSO), and the mid-latitudes on the one hand, and linkages between Arctic climate change and the mid-latitudes on the other hand. In order to move forward in the field of extratropical seasonal predictions, it is essential that an atmospheric model is able to realistically simulate the stratospheric circulation and variability. The numerical weather prediction (NWP) configuration of the ICOsahedral Non-hydrostatic atmosphere model ICON is currently being used by the German Meteorological Service for the regular weather forecast, and is intended to produce seasonal predictions in future. This thesis represents the first extensive evaluation of Northern Hemisphere stratospheric winter circulation in ICON-NWP by analysing a large set of seasonal ensemble experiments.


An ICON control climatology simulated with a default setup is able to reproduce the basic behaviour of the stratospheric polar vortex. However, stratospheric westerlies are significantly too weak and major stratospheric warmings too frequent, especially in January. The weak stratospheric polar vortex in ICON is furthermore connected to a mean sea level pressure (MSLP) bias pattern resembling the negative phase of the Arctic Oscillation (AO). Since a good representation of the drag exerted by gravity waves is crucial for a realistic simulation of the stratosphere, three sensitivity experiments with reduced gravity wave drag are performed. Both a reduction of the non-orographic and orographic gravity wave drag respectively, lead to a strengthening of the stratospheric vortex and thus a bias reduction in winter, in particular in January. However, the effect of the non-orographic gravity wave drag on the stratosphere is stronger. A third experiment, combining a reduced orographic and non-orographic drag, exhibits the largest stratospheric bias reductions. The analysis of stratosphere-troposphere coupling based on an index of the Northern Annular Mode demonstrates that ICON realistically represents downward coupling. This coupling is intensified and more realistic in experiments with a reduced gravity wave drag, in particular with reduced non-orographic drag. Tropospheric circulation is also affected by the reduced gravity wave drag, especially in January, when the strongly improved stratospheric circulation reduces biases in the MSLP patterns. Moreover, a retuning of the subgrid-scale orography parameterisations leads to a significant error reduction in the MSLP in all months. In conclusion, the combination of these adjusted parameterisations is recommended as a current optimal setup for seasonal simulations with ICON. 

Additionally, this thesis discusses further possible influences on the stratospheric polar vortex, including the influence of tropical phenomena, such as QBO and ENSO, as well as the influence of a rapidly warming Arctic. ICON does not simulate the quasi-oscillatory behaviour of the QBO and favours weak easterlies in the tropical stratosphere. A comparison with a reanalysis composite of the easterly QBO phase reveals, that the shift towards the easterly QBO in ICON further weakens the stratospheric polar vortex. On the other hand, the stratospheric reaction to ENSO events in ICON is realistic. ICON and the reanalysis exhibit a weakened stratospheric vortex in warm ENSO years. Furthermore, in particular in winter, warm ENSO events favour the negative phase of the Arctic Oscillation, whereas cold events favour the positive phase. The ICON simulations also suggest a significant effect of ENSO on the Atlantic-European sector in late winter. To investigate the influence of Arctic climate change on mid-latitude circulation changes, two differing approaches with transient and fixed sea ice conditions are chosen. Neither ICON approach exhibits the mid-latitude tropospheric negative Arctic Oscillation circulation response to amplified Arctic warming, as it is discussed on the basis of observational evidence. Nevertheless, adding a new model to the current and active discussion on Arctic-midlatitude linkages, further contributes to the understanding of divergent conclusions between model and observational studies.
N2  - Die stratosphärische Variabilität ist eine der wichtigsten potentiellen Quellen für die Vorhersagbarkeit der atmosphärischen Zirkulation in den mittleren Breiten im Winter auf der Zeitskala von Wochen bis zu Jahreszeiten.  Stratosphärische Prozesse spielen eine grundlegende Rolle für die Fernverbindungen (Telekonnektionen) zwischen tropischen Klimaphänomenen, wie der quasi-zweijährigen Schwingung (QBO) oder „El Niño-Südliche Oszillation“ (ENSO), und den mittleren Breiten, sowie den Telekonnektionen zwischen arktischen Klimaänderungen und der atmosphärischen Zirkulation in den mittleren Breiten. Die Fähigkeit eines atmosphärischen Modells, die stratosphärische Zirkulation und deren Variabilität realistisch zu simulieren, ist deshalb von grundlegender Bedeutung, um die Jahreszeitenvorhersage in den mittleren Breiten deutlich zu verbessern. Das nichthydrostatische Atmosphärenmodell ICON (ICOsahedral Non-hydrostatic atmosphere model) wird gegenwärtig beim Deutschen Wetterdienst (DWD) in der numerischen Wettervorhersagekonfiguration (ICON-NWP) für die Wettervorhersage genutzt, und soll zukünftig auch für Jahreszeitenvorhersagen benutzt werden. Darauf basierend, präsentiert die vorliegende Arbeit eine Vielzahl von saisonalen Ensembleexperimenten mit ICON-NWP und liefert damit die erste umfassende Bewertung der stratosphärischen Winterzirkulation der nördlichen Hemisphäre in ICON-NWP.

Die Klimatologie eines ICON-Modelllaufs im Standardsetup reproduziert die grundlegenden Eigenschaften des stratosphärischen Polarwirbels. Allerdings sind die stratosphärischen Westwinde deutlich schwächer als in den Beobachtungen, und starke Stratosphärenerwärmungen treten insbesondere im Januar zu häufig auf. Zudem ist der schwache stratosphärische Polarwirbel in ICON mit einem typischen Fehler-Muster des Bodenluftdrucks verknüpft, welches der negativen Phase der Arktischen Oszillation (AO) ähnelt. Da eine gute Darstellung des von Schwerewellen ausgeübten Widerstands für eine realistische Simulation der Stratosphäre entscheidend ist, werden drei Sensitivitätsexperimente mit reduziertem Schwerewellenwiderstand durchgeführt. Sowohl eine Verringerung des nicht-orographischen, als auch eine Verringerung des orographischen Schwerewellenwiderstands führen jeweils zu einer Verstärkung des stratosphärischen Wirbels und damit zu einer Verringerung des Fehlers im Winter, insbesondere im Januar. Die Wirkung des nicht-orographischen Schwerewellenwiderstands auf die Stratosphäre ist hierbei jedoch stärker. Ein drittes Experiment, welches den reduzierten orographischen und nicht-orographischen Widerstand kombiniert, zeigt die größten Verbesserungen in der Stratosphäre. Die auf dem Index des „Northern Annular Mode“ basierende Analyse der Stratosphären-Troposphären-Kopplung zeigt, dass ICON die nach unten gerichtete Kopplung zwischen der Stratosphäre und Troposphäre realistisch darstellt. Diese Kopplung wird in Experimenten mit einem reduzierten Schwerewellenwiderstand verstärkt und realistischer dargestellt, dies gilt insbesondere für den reduzierten nicht-orographischen Widerstand. Auch die troposphärische Zirkulation wird durch den reduzierten Schwerewellenwiderstand beeinflusst, vor allem im Januar, wenn die stark verbesserte stratosphärische Zirkulation den Fehler in den Bodenluftdruckfeldern reduziert. Darüber hinaus führt ein Tuning der Parameterisierung der subgrid-skaligen orographischen Schwerewellen zu einer signifikanten Fehlerreduktion des Bodenluftdrucks in allen Monaten. Die Kombination all dieser angepassten Parametrisierungen wird als derzeit optimales Setup für Jahreszeiten-Simulationen mit ICON vorgeschlagen. 

Darüber hinaus werden in dieser Arbeit weitere mögliche Einflussfaktoren auf den stratosphärischen Polarwirbel diskutiert, darunter der Einfluss tropischer Phänomene, wie QBO und ENSO, sowie der Einfluss einer sich rasch erwärmenden Arktis. Das quasi-oszillierende Verhalten der QBO wird durch ICON nicht simuliert, sodass schwache Ostwinde in der tropischen Stratosphäre dominieren. Ein Vergleich mit einem Reanalyse-Komposit der östlichen QBO-Phase zeigt, dass die Verschiebung in Richtung der östlichen QBO in ICON den stratosphärischen Polarwirbel weiter abschwächt. Die stratosphärische Reaktion auf ENSO-Ereignisse in ICON ist jedoch realistisch. ICON und Reanalysedaten zeigen einen abgeschwächten Stratosphärenwirbel in warmen ENSO-Jahren. Darüber hinaus begünstigen insbesondere im Winter warme ENSO-Ereignisse die negative Phase der Arktischen Oszillation, während kalte Ereignisse die positive Phase begünstigen. Die ICON-Simulationen deuten auch auf einen signifikanten Effekt von ENSO auf den atlantisch-europäischen Sektor im Spätwinter hin. Um den Einfluss des arktischen Klimawandels auf Änderungen der Zirkulation in mittleren Breiten zu untersuchen, werden zwei unterschiedliche Ansätze mit transienten und festen Meereisgrenzen gewählt. Keiner der beiden ICON-Ansätze zeigt eine Tendenz zur negativen Phase der Arktische Oszillation als Reaktion auf die verstärkte Erwärmung der Arktis, wie sie in der Literatur anhand von Beobachtungsdaten häufig diskutiert wird. Jedoch wird somit der aktuellen und aktiven Diskussion zu den Auswirkungen des arktischen Klimawandels auf die Zirkulation der mittleren Breiten ein neues Modell hinzugefügt.
T2  - Im Hinblick auf die Jahreszeitenvorhersage: Stratosphären-Troposphären-Kopplung in dem Atmosphärenmodell ICON-NWP
KW  - Seasonal prediction
KW  - Stratosphere-troposphere coupling
KW  - ICON
KW  - Stratospheric polar vortex
KW  - Jahreszeitenvorhersage
KW  - Stratosphären-Troposphären-Kopplung
KW  - ICON
KW  - Stratosphärischer Polarwirbel
KW  - El Niño-Southern Oscillation (ENSO)
KW  - El Niño-Südliche Oszillation
KW  - Arctic-midlatitude linkages
KW  - Verbindungspfade zwischen der Arktis und den mittleren Breiten
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-487231
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TY  - THES
A1  - Bange, Sebastian
T1  - Transient optical and electrical effects in polymeric semiconductors
T1  - Transiente optische und elektrische Effekte in polymeren Halbeitern
N2  - Classical semiconductor physics has been continuously improving electronic components such as diodes, light-emitting diodes, solar cells and transistors based on highly purified inorganic crystals over the past decades. Organic semiconductors, notably polymeric, are a comparatively young field of research, the first light-emitting diode based on conjugated polymers having been demonstrated in 1990. Polymeric semiconductors are of tremendous interest for high-volume, low-cost manufacturing ("printed electronics"). Due to their rather simple device structure mostly comprising only one or two functional layers, polymeric diodes are much more difficult to optimize compared to small-molecular organic devices. Usually, functions such as charge injection and transport are handled by the same material which thus needs to be highly optimized. The present work contributes to expanding the knowledge on the physical mechanisms determining device performance by analyzing the role of charge injection and transport on device efficiency for blue and white-emitting devices, based on commercially relevant spiro-linked polyfluorene derivatives. It is shown that such polymers can act as very efficient electron conductors and that interface effects such as charge trapping play the key role in determining the overall device efficiency. This work contributes to the knowledge of how charges drift through the polymer layer to finally find neutral emissive trap states and thus allows a quantitative prediction of the emission color of multichromophoric systems, compatible with the observed color shifts upon driving voltage and temperature variation as well as with electrical conditioning effects. In a more methodically oriented part, it is demonstrated that the transient device emission observed upon terminating the driving voltage can be used to monitor the decay of geminately-bound species as well as to determine trapped charge densities. This enables direct comparisons with numerical simulations based on the known properties of charge injection, transport and recombination. The method of charge extraction under linear increasing voltages (CELIV) is investigated in some detail, correcting for errors in the published approach and highlighting the role of non-idealized conditions typically present in experiments. An improved method is suggested to determine the field dependence of charge mobility in a more accurate way. Finally, it is shown that the neglect of charge recombination has led to a misunderstanding of experimental results in terms of a time-dependent mobility relaxation.
N2  - Klassische Halbleiterphysik beschäftigt sich bereits seit mehreren Jahrzehnten erfolgreich mit der Weiterentwicklung elektronischer Bauteile wie Dioden, Leuchtdioden, Solarzellen und Transistoren auf der Basis von hochreinen anorganischen Kristallstrukturen. Im Gegensatz hierzu ist das Forschungsgebiet der organischen, insbesondere der polymeren Halbleiter noch recht jung: Die erste Leuchtdiode auf der Basis von "leitfähigem Plastik" wurde erst 1990 demonstriert. Polymere Halbleiter sind hierbei von besonderem Interesse für hochvolumige Anwendungen im Beleuchtungsbereich, da sie sich kostengünstig herstellen und verarbeiten lassen ("gedruckte Elektronik"). Die vereinfachte Herstellung bedingt dabei eine vergleichsweise geringe Komplexität der Bauteilstruktur und verringert die Optimierungsmöglichkeiten. Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zum Verständnis der Vorgänge an Grenzflächen und im Volumen von polymeren Leuchtdioden und ermöglicht damit ein besseres Verständnis der Bauteilfunktion. Im Fokus steht hierbei mit einem spiro-verknüpften Polyfluorenderivat ein kommerziell relevanter Polymertyp, der amorphe und hochgradig temperaturstabile Halbleiterschichten bildet. Ausgehend von einer Charakterisierung der Ladungstransporteigenschaften wird im Zusammenspiel mit numerischen Simulationen der Bauteilemission gezeigt, welche Rolle die polymeren und metallenen Kontaktelektroden für die Bauteilfunktion und -effizienz spielen. Des Weiteren wird ein weiß-emittierendes Polymer untersucht, bei dem die Mischung von blauen, grünen und roten Farbstoffen die Emissionsfarbe bestimmt. Hierbei wird das komplexe Wechselspiel aus Energieübertrag zwischen den Farbstoffen und direktem Ladungseinfang aufgeklärt. Es wird ein quantitatives Modell entwickelt, das die beobachtete Verschiebung der Emissionsfarbe unter wechselnden elektrischen Betriebsparametern erklärt und zusätzlich die Vorhersage von Temperatur- und elektrischen Konditionierungseffekten ermöglicht. Ausgehend von leicht messbaren Parametern wie Stromstärken und Emissionsspektren ermöglicht es Rückschlüsse auf mikroskopische Vorgänge wie die Diffusion von Ladungen hin zu Farbstoffen. Es wird gezeigt, dass im Gegensatz zu bisherigen Erkenntnissen der Ladungseinfang durch Drift im elektrischen Feld gegenüber der Diffusion überwiegt. In einem eher methodisch orientierten Teil zeigt die Arbeit, wie die beim Abschalten von Leuchtdioden beobachtbare Emission dazu verwendet werden kann, Erkenntnisse zu Ladungsdichten während der Betriebsphase zu gewinnen. Es wird abschließend nachgewiesen, dass eine gängige Methode zur Bestimmung von Ladungsbeweglichkeiten unter typischen Messbedingungen fehlerbehaftet ist. Ergebnisse, die bisher als eine zeitliche Relaxation der Beweglichkeit in ungeordneten Halbleitern interpretiert wurden, können damit auf die Rekombination von Ladungen während der Messung zurückgeführt werden. Es wird außerdem gezeigt, dass eine Modifikation der bei der Auswertung verwendeten Analytik die genauere Vermessung der Feldstärkeabhängigkeit der Beweglichkeit ermöglicht.
KW  - Organische Halbleiter
KW  - Ladungstransport
KW  - OLED
KW  - Polymer Electronics
KW  - Organic Semiconductors
KW  - Charge Transport
KW  - OLED
KW  - Polymerelektronik
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-36314
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TY  - THES
A1  - Peter, Franziska
T1  - Transition to synchrony in finite Kuramoto ensembles
T1  - Synchronisationsübergang in endlichen Kuramoto-Ensembles
N2  - Synchronisation – die Annäherung der Rhythmen gekoppelter selbst oszillierender Systeme – ist ein faszinierendes dynamisches Phänomen, das in vielen biologischen, sozialen und technischen Systemen auftritt.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit Synchronisation in endlichen Ensembles schwach gekoppelter selbst-erhaltender Oszillatoren mit unterschiedlichen natürlichen Frequenzen.
Das Standardmodell für dieses kollektive Phänomen ist das Kuramoto-Modell – unter anderem aufgrund seiner Lösbarkeit im thermodynamischen Limes unendlich vieler Oszillatoren. Ähnlich einem thermodynamischen Phasenübergang zeigt im Fall unendlich vieler Oszillatoren ein Ordnungsparameter den Übergang von Inkohärenz zu einem partiell synchronen Zustand an, in dem ein Teil der Oszillatoren mit einer gemeinsamen Frequenz rotiert. Im endlichen Fall treten Fluktuationen auf.
In dieser Arbeit betrachten wir den bisher wenig beachteten Fall von bis zu wenigen hundert Oszillatoren, unter denen vergleichbar starke Fluktuationen auftreten, bei denen aber ein Vergleich zu Frequenzverteilungen im unendlichen Fall möglich ist.
Zunächst definieren wir einen alternativen Ordnungsparameter zur Feststellung einer kollektiven Mode im endlichen Kuramoto-Modell. Dann prüfen wir die Abhängigkeit des Synchronisationsgrades und der mittleren Rotationsfrequenz der kollektiven Mode von Eigenschaften der natürlichen Frequenzverteilung für verschiedene Kopplungsstärken.
Wir stellen dabei zunächst numerisch fest, dass der Synchronisationsgrad stark von der Form der Verteilung (gemessen durch die Kurtosis) und die Rotationsfrequenz der kollektiven Mode stark von der Asymmetrie der Verteilung (gemessen durch die Schiefe) der natürlichen Frequenzen abhängt. Beides können wir im thermodynamischen Limes analytisch verifizieren.
Mit diesen Ergebnissen können wir Erkenntnisse anderer Autoren besser verstehen und verallgemeinern. Etwas abseits des roten Fadens dieser Arbeit finden wir außerdem einen analytischen Ausdruck für die Volumenkontraktion im Phasenraum.
Der zweite Teil der Arbeit konzentriert sich auf den ordnenden Effekt von Fluktuationen, die durch die Endlichkeit des Systems zustande kommen. Im unendlichen Modell sind die Oszillatoren eindeutig in kohärent und inkohärent und damit in geordnet und ungeordnet getrennt. Im endlichen Fall können die auftretenden Fluktuationen zusätzliche Ordnung unter den asynchronen Oszillatoren erzeugen. Das grundlegende Prinzip, die rauschinduzierte Synchronisation, ist aus einer Reihe von Publikationen bekannt. Unter den gekoppelten Oszillatoren nähern sich die Phasen aufgrund der Fluktuationen des Ordnungsparameters an, wie wir einerseits direkt numerisch zeigen und andererseits mit einem Synchronisationsmaß aus der gerichteten Statistik zwischen Paaren passiver Oszillatoren nachweisen.
Wir bestimmen die Abhängigkeit dieses Synchronisationsmaßes vom Verhältnis von paarweiser natürlicher Frequenzdifferenz zur Varianz der Fluktuationen. Dabei finden wir eine gute Übereinstimmung mit einem einfachen analytischen Modell, in welchem wir die deterministischen Fluktuationen des Ordnungsparameters durch weißes Rauschen ersetzen.
N2  - Synchronization – the adjustment of rhythms among coupled self-oscillatory systems – is a fascinating dynamical phenomenon found in many biological, social, and technical systems.
The present thesis deals with synchronization in finite ensembles of weakly coupled self-sustained oscillators with distributed frequencies.
The standard model for the description of this collective phenomenon is the Kuramoto model – partly due to its analytical tractability in the thermodynamic limit of infinitely many oscillators. Similar to a phase transition in the thermodynamic limit, an order parameter indicates the transition from incoherence to a partially synchronized state. In the latter, a part of the oscillators rotates at a common frequency. In the finite case, fluctuations occur, originating from the quenched noise of the finite natural frequency sample.
We study intermediate ensembles of a few hundred oscillators in which fluctuations are comparably strong but which also allow for a comparison to frequency distributions in the infinite limit.
First, we define an alternative order parameter for the indication of a collective mode in the finite case. Then we test the dependence of the degree of synchronization and the mean rotation frequency of the collective mode on different characteristics for different coupling strengths.
We find, first numerically, that the degree of synchronization depends strongly on the form (quantified by kurtosis) of the natural frequency sample and the rotation frequency of the collective mode depends on the asymmetry (quantified by skewness) of the sample. Both findings are verified in the infinite limit.
With these findings, we better understand and generalize observations of other authors. A bit aside of the general line of thoughts, we find an analytical expression for the volume contraction in phase space.
The second part of this thesis concentrates on an ordering effect of the finite-size fluctuations. In the infinite limit, the oscillators are separated into coherent and incoherent thus ordered and disordered oscillators. In finite ensembles, finite-size fluctuations can generate additional order among the asynchronous oscillators. The basic principle – noise-induced synchronization – is known from several recent papers. Among coupled oscillators, phases are pushed together by the order parameter fluctuations, as we on the one hand show directly and on the other hand quantify with a synchronization measure from directed statistics between pairs of passive oscillators.
We determine the dependence of this synchronization measure from the ratio of pairwise natural frequency difference and variance of the order parameter fluctuations. We find a good agreement with a simple analytical model, in which we replace the deterministic fluctuations of the order parameter by white noise.
KW  - synchronization
KW  - Kuramoto model
KW  - finite size
KW  - phase transition
KW  - dynamical systems
KW  - networks
KW  - Synchronisation
KW  - Kuramoto-Modell
KW  - endliche Ensembles
KW  - Phasenübergang
KW  - dynamische Systeme
KW  - Netzwerke
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-429168
ER  - 
TY  - THES
A1  - Lazar, Paul
T1  - Transport mechanisms and wetting dynamics in molecularly thin films of long-chain alkanes at solid/vapour interface : relation to the solid-liquid phase transition
T1  - Transport Mechanismen und Benetzungsdynamik in molekular dünnen Schichten langketiger Alkane an Fest/Gas Grenzfächen : Beziehung zum Fest-Flüssig Phasenübergang
N2  - Wetting and phase transitions play a very important role our daily life. Molecularly thin films of long-chain alkanes at solid/vapour interfaces (e.g. C30H62 on silicon wafers) are very good model systems for studying the relation between wetting behaviour and (bulk) phase transitions. Immediately above the bulk melting temperature the alkanes wet partially the surface (drops). In this temperature range the substrate surface is covered with a molecularly thin ordered, solid-like alkane film ("surface freezing"). Thus, the alkane melt wets its own solid only partially which is a quite rare phenomenon in nature. The thesis treats about how the alkane melt wets its own solid surface above and below the bulk melting temperature and about the corresponding melting and solidification processes. Liquid alkane drops can be undercooled to few degrees below the bulk melting temperature without immediate solidification. This undercooling behaviour is quite frequent and theoretical quite well understood. In some cases, slightly undercooled drops start to build two-dimensional solid terraces without bulk solidification. The terraces grow radially from the liquid drops on the substrate surface. They consist of few molecular layers with the thickness multiple of all-trans length of the molecule. By analyzing the terrace growth process one can find that, both below and above the melting point, the entire substrate surface is covered with a thin film of mobile alkane molecules. The presence of this film explains how the solid terrace growth is feeded: the alkane molecules flow through it from the undercooled drops to the periphery of the terrace. The study shows for the first time the coexistence of a molecularly thin film ("precursor") with partially wetting bulk phase. The formation and growth of the terraces is observed only in a small temperature interval in which the 2D nucleation of terraces is more likely than the bulk solidification. The nucleation mechanisms for 2D solidification are also analyzed in this work. More surprising is the terrace behaviour above bulk the melting temperature. The terraces can be slightly overheated before they melt. The melting does not occur all over the surface as a single event; instead small drops form at the terrace edge. Subsequently these drops move on the surface "eating" the solid terraces on their way. By this they grow in size leaving behind paths from were the material was collected. Both overheating and droplet movement can be explained by the fact that the alkane melt wets only partially its own solid. For the first time, these results explicitly confirm the supposed connection between the absence of overheating in solid and "surface melting": the solids usually start to melt without an energetic barrier from the surface at temperatures below the bulk melting point. Accordingly, the surface freezing of alkanes give rise of an energetic barrier which leads to overheating.
N2  - Sowohl Benetzung als auch Phasenübergänge spielen eine sehr wichtige Rolle im täglichen Leben. Molekular dünne Filme langkettiger Alkane an Festkörper/Gas-Grenzflächen (z. B. C30H62 an Silizium-Waferoberflächen) sind sehr gute Modellsysteme um die Wechselbeziehung zwischen Benetzungsverhalten und (Volumen-)Phasenübergängen zu untersuchen. In einem Temperaturbereich knapp oberhalb der Volumenschmelztemperatur benetzt die Alkanschmelze die Substratoberfläche nur partiell (Alkantropfen). In diesem Temperaturbereich ist die Substratoberfläche mit einer molekular dünnen, festkörperartig geordneten Alkanschicht bedeckt ("Oberflächengefrieren" ). Die Alkanschmelze benetzt also die eigene Festkörperoberfläche nur partiell, ein in der Natur ziemlich seltenes Phänomen. Die Dissertation beschäftigt sich damit wie die Alkanschmelze ihre eigene Festkörperoberfläche über und unter dem Volumenschmelzpunkt benetzt und mit den entsprechenden Vorgängen beim Schmelzen bzw. Erstarren. Flüssige Alkantropfen lassen sich einige Grad unter ihren Schmelzpunkt unterkühlen ohne sich sofort zu verfestigen. Dieses "Unterkühlungsverhalten" ist üblich und es ist theoretisch qualitativ gut verstanden. Allerdings beobachtet man bei den Alkanen bei leichter Unterkühlung statt einer eventuellen Volumenverfestigung oft die Ausbildung von zweidimensionalen Terrassen aus erstarrtem Alkanen. Die Terrassen wachsen auf der Substratoberfläche radial aus den flüssigen Tropfen. Sie bestehen aus wenigen Alkanlagen mit jeweils der Dicke einer Moleküllänge. Die Analyse der Terrassen-Wachstumsprozesse zeigt, dass die gesamte Substratoberfläche einschliesslich der Terrassen sowohl oberhalb als auch unterhalb der Volumenschmelztemperatur mit einer dünnen Schicht mobiler Alkanmoleküle bedeckt ist. Durch diese Schicht fliessen bei Unterkühlung die Alkane vom unterkühlten Tropfen zur Terrassenkante und liefern den Nachschub für deren Wachstum. Die Untersuchungen zeigen damit erstmalig die Koexistenz eines molekular dünnen Films ("Precursor") mit einer partiell benetzenden Volumenphase. Die Entstehung und das Wachstum der Terrassen wird nur in einem engen Temperaturfenster beobachtet in dem die Keimbildung zweidimensionaler Terrassen wahrscheinlicher ist als die dreidimensionale Volumenverfestigung. Auch dieses Keimbildungsverhalten wird in der Dissertation genauer analysiert. Noch erstaunlicher als das Terrassenwachstum, d. h. das Verfestigungsverhalten ist das Schmelzverhalten der Terrassen. Sie lassen sich bis zu einer gewissen Temperatur überhitzen bevor sie schmelzen! Weiterhin findet bei genügender Überhitzung das Schmelzen nicht gleichzeitig überall statt sondern es entstehen zuerst kleine Alkantropfen an den Terrassenrändern. Diese bewegen sich dann über die Substratoberfläche und "fressen" sich durch die festen Terrassen. Dabei wachsen sie weil sie das geschmolzene Material aufnehmen und hinterlassen eine alkanfreie Spur. Sowohl die Überhitzung als auch die Tropfenbewegung lassen sich damit erklären dass die flüssige Alkanschmelze ihren eigenen Festkörper nur partiell benetzt. Die Ergebnisse bestätigen erstmals explizit den seit vielen Jahrzehnten vermuteten Zusammenhang zwischen der üblicherweise nicht beobachtbaren Überhitzung von Festkörpern und Oberflächenschmelzen: Festkörper beginnen normalerweise ohne Energiebarriere von der Oberfläche an zu schmelzen. Entsprechend bildet das Oberflächengefrieren der Alkane eine Energiebarriere und erlaubt damit deren Überhitzen.
KW  - Benetzung
KW  - Phasenübergang
KW  - Keimbildung
KW  - Alkane
KW  - Unterkühlung
KW  - Überhitzung
KW  - 2D Transport
KW  - wetting
KW  - phase transitions
KW  - long-chain alkane
KW  - 2D transport
KW  - nucleation
KW  - undercooling
KW  - overheating
Y1  - 2005
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-5275
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TY  - THES
A1  - Canil, Laura
T1  - Tuning Interfacial Properties in Perovskite Solar Cells through Defined Molecular Assemblies
T1  - Anpassung von Grenzflächeneigenschaften von Perowskit-Solarzellen durch den Einsatz von molekularen Schichten
N2  - In the frame of a world fighting a dramatic global warming caused by human-related activities, research towards the development of renewable energies plays a crucial role. Solar energy is one of the most important clean energy sources and its role in the satisfaction of the global energy demand is set to increase. In this context, a particular class of materials captured the attention of the scientific community for its attractive properties: halide perovskites. Devices with perovskite as light-absorber saw an impressive development within the last decade, reaching nowadays efficiencies comparable to mature photovoltaic technologies like silicon solar cells. Yet, there are still several roadblocks to overcome before a wide-spread commercialization of this kind of devices is enabled. One of the critical points lies at the interfaces: perovskite solar cells (PSCs) are made of several layers with different chemical and physical features. In order for the device to function properly, these properties have to be well-matched. 
This dissertation deals with some of the challenges related to interfaces in PSCs, with a focus on the interface between the perovskite material itself and the subsequent charge transport layer. In particular, molecular assemblies with specific properties are deposited on the perovskite surface to functionalize it. The functionalization results in energy level alignment adjustment, interfacial losses reduction, and stability improvement.
First, a strategy to tune the perovskite’s energy levels is introduced: self-assembled monolayers of dipolar molecules are used to functionalize the surface, obtaining simultaneously a shift in the vacuum level position and a saturation of the dangling bonds at the surface. A shift in the vacuum level corresponds to an equal change in work function, ionization energy, and electron affinity. The direction of the shift depends on the direction of the collective interfacial dipole. The magnitude of the shift can be tailored by controlling the deposition parameters, such as the concentration of the solution used for the deposition. The shift for different molecules is characterized by several non-invasive techniques, including in particular Kelvin probe. Overall, it is shown that it is possible to shift the perovskite energy levels in both directions by several hundreds of meV. Moreover, interesting insights on the molecules deposition dynamics are revealed.
Secondly, the application of this strategy in perovskite solar cells is  explored.  Devices with different perovskite compositions (“triple cation perovskite” and MAPbBr3) are prepared. The two resulting model systems present different energetic offsets at the perovskite/hole-transport layer interface. Upon tailored perovskite surface functionalization, the devices show a stabilized open circuit voltage (Voc) enhancement of approximately 60 meV on average for devices with MAPbBr3, while the impact is limited on triple-cation solar cells. This suggests that the proposed energy level tuning method is valid, but its effectiveness depends on factors such as the significance of the energetic offset compared to the other losses in the devices. 
Finally, the above presented method is further developed by incorporating the ability to interact with the perovskite surface directly into a novel hole-transport material (HTM), named PFI. The HTM can anchor to the perovskite halide ions via halogen bonding (XB). Its behaviour is compared to that of another HTM (PF) with same chemical structure and properties, except for the ability of forming XB. The interaction of perovskite with PFI and PF is characterized through UV-Vis, atomic force microscopy and Kelvin probe measurements combined with simulations. Compared to PF, PFI exhibits enhanced resilience against solvent exposure and improved energy level alignment with the perovskite layer. As a consequence, devices comprising PFI show enhanced Voc and operational stability during maximum-power-point tracking, in addition to hysteresis reduction. XB promotes the formation of a high-quality interface by anchoring to the halide ions and forming a stable and ordered interfacial layer, showing to be a particularly interesting candidate for the development of tailored charge transport materials in PSCs.
Overall, the results exposed in this dissertation introduce and discuss a versatile tool to functionalize the perovskite surface and tune its energy levels. The application of this method in devices is explored and insights on its challenges and advantages are given. Within this frame, the results shed light on XB as ideal interaction for enhancing stability and efficiency in perovskite-based devices.
N2  - Im Kampf gegen den menschengemachten Klimawandel spielt die Forschung und Entwicklung von erneuerbaren Energien eine tragende Rolle. Solarenergie ist eine der wichtigsten grünen Energiequellen und von steigender Bedeutung für die Deckung des globalen Energiebedarfs. In diesem Kontext hat eine bestimme Materialklasse aufgrund ihrer attraktiven Eigenschaften die Aufmerksamkeit der Wissenschaft erregt: Halogenid-Perowskit. Perowskit-Solarzellen haben im letzten Jahrzehnt eine beeindruckende Entwicklung durchgemacht und erreichen heutzutage Effizienzen, die mit weit entwickelten Photovoltaik-Technologien wie Silizium-Solarzellen vergleichbar sind. Jedoch existieren immer noch mehrere Hürden, die einer marktweiten Kommerzialisierung dieser jungen Technologie im Wege stehen. Eines der kritischen Probleme befindet sich an den Grenzflächen. Perowskit-Solarzellen bestehen aus mehreren Schichten mit unterschiedlichen chemischen und physikalischen Eigenschaften. Damit die Solarzelle bestmöglich funktioniert, müssen diese Eigenschaften aufeinander abgestimmt sein. 
Diese Dissertation beschäftigt sich mit einigen Herausforderungen im Zusammenhang mit Grenzflächen in Perowskit-Solarzellen, dabei liegt der Fokus auf der Grenzfläche zwischen Perowskit-Absorber und der angrenzenden Ladungstransportschicht. Insbesondere werden organische Moleküle mit spezifischen Eigenschaften verwendet um die Oberfläche des Perowskiten zu funktionalisieren. Dadurch wird eine Bandanpassung erreicht, Grenzflächenverluste reduziert und die Stabilität der Solarzellen erhöht. 
Zunächst wird eine Strategie zum Anpassen der Bandenergien vorgestellt: Selbst-organisierende Monoschichten dipolarer Moleküle werden auf die Perowskit-Oberfläche abgeschieden, um diese zu funktionalisieren. Dadurch wird eine Anpassung des Energie-Levels im Perowskiten und die Sättigung von ungebundenen Elektronenbindungen (engl. dangling bonds) an der Oberfläche erreicht. Die Richtung der Energielevel-Verschiebung hängt von der Richtung des kollektiven Grenzflächen-Dipols ab. Der Betrag der Energielevel-Verschiebung kann über die Depositionsparameter während der Schichtherstellung eingestellt werden. Die Energielevel-Verschiebung bei der Verwendung verschiedener Moleküle wird mit Hilfe verschiedener non-invasiver Charakterisierungsmethoden untersucht, insbesondere mit der Hilfe von Kelvin-Sonde Messungen. Diese Messungen ermöglichen interessante Erkenntnisse über die Dynamik der Deposition der Moleküle.  Es ist möglich die Energielevel in beide Richtungen um mehrere hundert meV zu verschieben.
Als Zweites wird die Anwendung dieser Stategie in Perowskit-Solarzellen erforscht. Solarzellen mit Perowskit-Absorbern unterschiedlicher Zusammensetzung (“Dreifach-Kationen-Perowskit” und MAPbBr3) werden präpariert; die beiden Modellsysteme besitzen dann unterschiedliche energetische Offsets an der Perowskit-Lochleiter Grenzfläche. Mit einer maßgeschneiderter Funktionalisierung der Perowskit-Oberfläche zeigen die MAPbBr3 Solarzellen eine permanente Verbesserung der offene-Klemmen-Spannung (engl. open circuit voltage, Voc) um durchschnittlich 60 meV, während der Einfluss auf die Solarzellen mit Dreifach-Kationen-Perowskit gering ist. Dies zeigt, dass die vorgestellte Methode zur Bandanpassung funktioniert, aber ihre Effektivität zudem von weiteren Faktoren abhängt: Die Relevanz des energetischen Offsets im Vergleich zu anderen Verlustmechanismen beeinflusst unter anderem die Effektivität der Funktionalisierung. 
Abschließend wird beschrieben, wie die präsentierte Methode zur Bandanpassung weiterentwickelt wird, indem das Vermögen, mit der Perowskit-Oberfläche zu interagieren, direkt in einen neuartigen Lochleiter („PFI“) integriert wird. Der Lochleiter kann sich über Halogenbindungen an den Perowskiten anlagern. Das Verhalten von PFI wird verglichen mit dem eines anderen Lochleiters („PF“), welcher die fast gleiche chemische Struktur und sehr ähnliche Eigenschaften aufweist, ausgenommen der Fähigkeit eine Halogenbindung zu formen. Die PFI-Perowskit und PF-Perowskit Interaktion wird durch UV-Vis Spektroskopie, Rasterkraftmikroskopie und Kelvin-Sonde Messungen, kombiniert mit Simulationen, charakterisiert. Beim direkten Vergleich von PFI und PF zeigt sich die Bildung der Halogenbindung in einer bei PFI verbesserten Widerstandskraft gegen Lösungsmittel und Bandanpassung zum Perowskiten. Beim Folgerichtig zeigen Solarzellen mit PFI zusätzlich zu einer verringerten Hysterese einen höheren Voc und eine erhöhte Stabilität während des Betriebs unter Maximum-Power-Point Tracking
Zusammenfassend stellt diese Dissertation somit ein vielseitiges Werkzeug zur Funktionalisierung von Perowskit-Oberflächen und der dadurch erreichten Bandanpassung vor. Die Anwendung dieses Werkzeugs an Solarzellen wird erprobt und Einsichten in seine Vorteile und Nachteile erlangt. Die Halogenbindung wird als spezifische Interaktion identifiziert, die sich ideal zur Steigerung von Effizienz und Stabilität von Perowskit-basierten optoelektronischen Bauteilen erweisen könnte.
KW  - photovoltaic
KW  - perovskite solar cells
KW  - interfaces
KW  - energy levels
KW  - halogen bonding
KW  - Grenzflächen
KW  - Perowskit Solarzellen
KW  - Photovoltaik
KW  - Bandenenergien
KW  - Halogenbindung
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-546333
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schröder, Henning
T1  - Ultrafast electron dynamics in Fe(CO)5 and Cr(CO)6
T1  - Ultraschnelle Elektronendynamik in Fe(CO)5 und Cr(CO)6
N2  - In this thesis, the two prototype catalysts Fe(CO)₅ and Cr(CO)₆ are investigated with time-resolved photoelectron spectroscopy at a high harmonic setup. In both of these metal carbonyls, a UV photon can induce the dissociation of one or more ligands of the complex. The mechanism of the dissociation has been debated over the last decades. The electronic dynamics of the first dissociation occur on the femtosecond timescale.
For the experiment, an existing high harmonic setup was moved to a new location, was extended, and characterized. The modified setup can induce dynamics in gas phase samples with photon energies of 1.55eV, 3.10eV, and 4.65eV. The valence electronic structure of the samples can be probed with photon energies between 20eV and 40eV. The temporal resolution is 111fs to 262fs, depending on the combination of the two photon energies.
The electronically excited intermediates of the two complexes, as well as of the reaction product Fe(CO)₄, could be observed with photoelectron spectroscopy in the gas phase for the first time. However, photoelectron spectroscopy gives access only to the final ionic states. Corresponding calculations to simulate these spectra are still in development. The peak energies and their evolution in time with respect to the initiation pump pulse have been determined, these peaks have been assigned based on literature data. The spectra of the two complexes show clear differences. The dynamics have been interpreted with the assumption that the motion of peaks in the spectra relates to the movement of the wave packet in the multidimensional energy landscape. The results largely confirm existing models for the reaction pathways. In both metal carbonyls, this pathway involves a direct excitation of the wave packet to a metal-to-ligand charge transfer state and the subsequent crossing to a dissociative ligand field state. The coupling of the electronic dynamics to the nuclear dynamics could explain the slower dissociation in Fe(CO)₅ as compared to Cr(CO)₆.
N2  - Diese Dissertation handelt von der Untersuchung der zwei Modell-Katalysatoren Fe(CO)₅ und Cr(CO)₆ mittels zeitaufgelöster Photoelektronen Spektroskopie an einem High Harmonic Setup. In beiden Metallcarbonyl kann die Dissoziation von einem, oder mehreren Liganden durch ein UV Photon ausgelöst werden. Der Dissoziation-Mechanismus wurde in den letzten Jahrzehnten diskutiert. Die Abspaltung des ersten Liganden und die damit verbundenen elektronischen Dynamiken finden auf Zeitskalen von Femtosekunden statt.
Für die Durchführung dieses Experiments wurde ein bestehender High Harmonic Setup in ein neues Labor verlegt. Der Aufbau wurde erweitert und charakterisiert. Mit dem modifizierten Aufbau können nun Reaktionen in Gas-Phasen-Proben mit Photonenenergien von 1.55eV, 3.10eV und 4.65eV ausgelöst werden. Dabei kann die Valenz-Elektronen-Struktur mit Photonenenergien zwischen 20eV und 40eV untersucht werden. Die Zeitauflösung liegt im Bereich von  111fs bis 262fs und hängt von der Kombination der zwei Photonenenergien ab.
Die beiden Komplexe sowie Fe(CO)₄ konnten in der Gas-Phase zum ersten Mal in elektronisch angeregten Zuständen mittels zeitaufgelöster Photoelektronenspektroskopie beobachtet werden. Im Allgemeinen kann jedoch mit der Photoelektronenspektroskopie nur der ionische Endzustand untersucht werden. Modellrechnungen zu den Spektren und die Entwicklung der dazugehörigen Theorie befinden derzeit noch in der Entwicklungsphase. Die Peaks in den Spektren konnten anhand von Literatur zugeordnet werden. Die Spektren der beiden Komplexe unterscheiden sich deutlich. Zu deren Interpretation wurde die Näherung verwendet, dass die Dynamik der Peaks in den Spektren die Bewegung des Wellenpakets in der multidimensionalen Energielandschaft darstellt. Die neuen Daten bestätigen weitestgehend bestehende Modelle für die Reaktionsmechanismen. Der Reaktionsmechanismus verläuft für beide Metallcarbonyle über eine direkte Anregung des Wellenpakets in einen metal-to-ligand charge transfer Zustand. Von dem angeregten Zustand aus kann das Wellenpaket in den dissoziativen ligand field Zustand wechseln. Dass die Reaktion in Fe(CO)₅ langsamer als in Cr(CO)₆ abläuft, kann durch die Kopplung der Dynamiken von Elektronen und Kernen erklärt werden.
KW  - dissertation
KW  - Dissertation
KW  - photo electron spectroscopy
KW  - physical chemistry
KW  - molecular dynamics
KW  - high harmonic generation
KW  - iron pentacarbonyl
KW  - chromium hexacarbonyl
KW  - metal carbonyls
KW  - ultrafast
KW  - dynamics
KW  - Photoelektronen
KW  - Spektroskopie
KW  - Moleküldynamik
KW  - high harmonic
KW  - Eisenpentacarbonyl
KW  - Chromhexacarbonyl
KW  - Photodissoziation
KW  - photodissociation
KW  - ligand
KW  - bond
Y1  - 2016
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-94589
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TY  - THES
A1  - Schick, Daniel
T1  - Ultrafast lattice dynamics in photoexcited nanostructures : femtosecond X-ray diffraction with optimized evaluation schemes
T1  - Ultraschnelle Gitterdynamik in optisch angeregten Nanostrukturen : Femtosekunden-Röntgendiffraktion mit optimierten Auswerteroutinen
N2  - Within the course of this thesis, I have investigated the complex interplay between electron and lattice dynamics in nanostructures of perovskite oxides. Femtosecond hard X-ray pulses were utilized to probe the evolution of atomic rearrangement directly, which is driven by ultrafast optical excitation of electrons. The physics of complex materials with a large number of degrees of freedom can be interpreted once the exact fingerprint of ultrafast lattice dynamics in time-resolved X-ray diffraction experiments for a simple model system is well known. The motion of atoms in a crystal can be probed directly and in real-time by femtosecond pulses of hard X-ray radiation in a pump-probe scheme. In order to provide such ultrashort X-ray pulses, I have built up a laser-driven plasma X-ray source. The setup was extended by a stable goniometer, a two-dimensional X-ray detector and a cryogen-free cryostat. The data acquisition routines of the diffractometer for these ultrafast X-ray diffraction experiments were further improved in terms of signal-to-noise ratio and angular resolution. The implementation of a high-speed reciprocal-space mapping technique allowed for a two-dimensional structural analysis with femtosecond temporal resolution. I have studied the ultrafast lattice dynamics, namely the excitation and propagation of coherent phonons, in photoexcited thin films and superlattice structures of the metallic perovskite SrRuO3. Due to the quasi-instantaneous coupling of the lattice to the optically excited electrons in this material a spatially and temporally well-defined thermal stress profile is generated in SrRuO3. This enables understanding the effect of the resulting coherent lattice dynamics in time-resolved X-ray diffraction data in great detail, e.g. the appearance of a transient Bragg peak splitting in both thin films and superlattice structures of SrRuO3. In addition, a comprehensive simulation toolbox to calculate the ultrafast lattice dynamics and the resulting X-ray diffraction response in photoexcited one-dimensional crystalline structures was developed in this thesis work. With the powerful experimental and theoretical framework at hand, I have studied the excitation and propagation of coherent phonons in more complex material systems. In particular, I have revealed strongly localized charge carriers after above-bandgap femtosecond photoexcitation of the prototypical multiferroic BiFeO3, which are the origin of a quasi-instantaneous and spatially inhomogeneous stress that drives coherent phonons in a thin film of the multiferroic. In a structurally imperfect thin film of the ferroelectric Pb(Zr0.2Ti0.8)O3, the ultrafast reciprocal-space mapping technique was applied to follow a purely strain-induced change of mosaicity on a picosecond time scale. These results point to a strong coupling of in- and out-of-plane atomic motion exclusively mediated by structural defects.
N2  - Im Rahmen dieser Arbeit habe ich mich mit den komplexen Wechselwirkungen zwischen Elektronen- und Gitterdynamik in oxidischen Perowskit-Nanostrukturen beschäftigt. Dazu wurden verschiedene Proben mit intensiven, ultrakurzen Laserpulsen angeregt. Um die zeitliche Entwicklung der induzierten atomaren Umordnung zu untersuchen, wurden Femtosekunden-Pulse harter Röntgenstrahlung genutzt. Zunächst wurde die ultraschnelle Gitterdynamik in einfachen Modellsystemen mit zeitaufgelösten Röntgendiffraktionsexperimenten untersucht, um im Anschluss ähnliche Experimente an komplexeren Materialien mit mehreren Freiheitsgraden interpretieren zu können. Die Bewegung der Atome in einem Kristall kann über Anrege-Abtast-Verfahren direkt mit gepulster, harter Röntgenstrahlung gemessen werden. Die Dauer der Röntgenpulse muss dafür einige hundert Femtosekunden kurz sein. Um diese ultrakurzen Röntgenpulse zu erzeugen, habe ich eine lasergetriebene Plasma-Röntgenquelle aufgebaut. Der Aufbau wurde um ein stabiles Goniometer, einen zweidimensionalen Röntgendetektor und einen kryogenfreien Kryostat erweitert und in Bezug auf das Signal-zu-Rausch-Verhältnis und die Winkelauflösung optimiert. Durch die Entwicklung einer schnellen Methode zur Vermessung des reziproken Raums konnte erstmals an solch einer Quelle eine zweidimensionale Strukturanalyse mit Femtosekunden-Zeitauflösung realisiert werden. Die Anregung und Ausbreitung von kohärenten Phononen habe ich in optisch angeregten Dünnfilm- und Übergitterstrukturen untersucht. Eine entscheidende Rolle spielen dabei metallische SrRuO3 Schichten. Durch die quasi-instantane Kopplung des Gitters an die optisch angeregten Elektronen in SrRuO3 wird ein räumlich und zeitlich wohldefiniertes Druckprofil erzeugt. Dadurch kann der Einfluss der resultierenden kohärenten Gitterdynamik auf die zeitaufgelösten Röntgendiffraktionsdaten im Detail verstanden werden. Beobachtet wurde z.B. das Auftreten einer transienten Aufspaltung eines Bragg-Reflexes bei Dünnfilm- und Übergitterstrukturen aus SrRuO3. Außerdem wurde eine umfangreiche Simulationsumgebung entwickelt, mit deren Hilfe die ultraschnelle Dynamik und die dazugehörigen Röntgendiffraktionssignale in optisch angeregten eindimensionalen Kristallstrukturen berechnet werden können. Der von mir entwickelte experimentelle Aufbau sowie das Simulationspaket zur Datenanalyse und -interpretation wurden anschließend für die Untersuchung kohärenter Phononen in komplexeren Materialsystemen eingesetzt. Im Speziellen konnte ich in multiferroischem BiFeO3 eine stark lokalisierte Ladungsträgerverteilung nach einer optischen Femtosekunden-Anregung nachweisen. Sie ist die Ursache für einen quasi-instantanen und räumlich inhomogenen Druck, der die kohärenten Phononen in einem dünnen Film dieses Multiferroikums erzeugt. Außerdem habe ich die ultraschnelle Vermessung des reziproken Raums angewendet, um eine verzerrungsinduzierte Veränderung der Mosaizität in einem strukturell unvollkommenen Film aus ferroelektrischem Pb(Zr0.2Ti0.8)O3 zu verfolgen. Die Ergebnisse deuten auf eine ausschließlich durch strukturelle Defekte vermittelte Kopplung der atomaren Bewegungen parallel und senkrecht zur Flächennormalen des Filmes hin.
KW  - ultraschnelle Röntgendiffraktion
KW  - Gitterdynamik
KW  - Nanostruktur
KW  - optische Anregung
KW  - Perowskit
KW  - ultrafast X-ray diffraction
KW  - lattice dynamics
KW  - nanostructure
KW  - photoexcitation
KW  - perovskite
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-68827
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TY  - THES
A1  - Willig, Lisa
T1  - Ultrafast magneto-optical studies of remagnetisation dynamics in transition metals
T1  - Ultraschnelle Magneto-Optische Studien der Remagnetisierungsdynamik von Übergangsmetallen
N2  - Ultrafast magnetisation dynamics have been investigated intensely for two decades. The recovery process after demagnetisation, however, was rarely studied experimentally and discussed in detail. The focus of this work lies on the investigation of the magnetisation on long timescales after laser excitation. It combines two ultrafast time resolved methods to study the relaxation of the magnetic and lattice system after excitation with a high fluence ultrashort laser pulse. The magnetic system is investigated by time resolved measurements of the magneto-optical Kerr effect. The experimental setup has been implemented in the scope of this work. The lattice dynamics were obtained with ultrafast X-ray diffraction. The combination of both techniques leads to a better understanding of the mechanisms involved in magnetisation recovery from a non-equilibrium condition. Three different groups of samples are investigated in this work: Thin Nickel layers capped with nonmagnetic materials, a continuous sample of the ordered L10 phase of Iron Platinum and a sample consisting of Iron Platinum nanoparticles embedded in a carbon matrix. The study of the remagnetisation reveals a general trend for all of the samples: The remagnetisation process can be described by two time dependences. A first exponential recovery that slows down with an increasing amount of energy absorbed in the system until an approximately linear time dependence is observed. This is followed by a second exponential recovery. In case of low fluence excitation, the first recovery is faster than the second. With increasing fluence the first recovery is slowed down and can be described as a linear function. If the pump-induced temperature increase in the sample is sufficiently high, a phase transition to a paramagnetic state is observed. In the remagnetisation process, the transition into the ferromagnetic state is characterised by a distinct transition between the linear and exponential recovery. From the combination of the transient lattice temperature Tp(t) obtained from ultrafast X-ray measurements and magnetisation M(t) gained from magneto-optical measurements we construct the transient magnetisation versus temperature relations M(Tp). If the lattice temperature remains below the Curie temperature the remagnetisation curve M(Tp) is linear and stays below the M(T) curve in equilibrium in the continuous transition metal layers. When the sample is heated above phase transition, the remagnetisation converges towards the static temperature dependence. For the granular Iron Platinum sample the M(Tp) curves for different fluences coincide, i.e. the remagnetisation follows a similar path irrespective of the initial laser-induced temperature jump.
N2  - Ultraschnelle Magnetisierungsdynamiken wurden in den letzten zwei Jahrzehnten intensiv untersucht. Hingegen der Wiederherstellungsprozess der Magnetisierung nach einer ultraschnellen Demagnetisierung wird selten experimentell untersucht und im Detail diskutiert. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der Untersuchung der Magnetisierung auf langen Zeitskalen nach der Anregung durch einen Laserpuls. Dazu werden zwei ultraschnelle zeitaufgelöste Techniken verwendet, um die Relaxierung von dem magnetischen System und dem System des Gitters nach Anregung mit einem hochenergetischen ultrakurzen Laserpuls zu untersuchen. Das magnetische System wurde untersucht mithilfe von Messungen des zeitaufgelösten magneto-optischen Kerr Effekts. Der experimentelle Aufbau wurde im Rahmen dieser Arbeit entwickelt. Die Gitterdynamik wurde mittels ultraschneller Röntgendiffraktometrie aufgenommen. Die Kombination beider Techniken liefert ein besseres Verständnis von den Prozessen involviert in Magnetisierungsrelaxation aus einem Nicht-Gleichgewichtszustand. Drei unterschiedliche Probensysteme wurden im Rahmen dieser Arbeit untersucht: Dünne Nickel Schichten umgeben von nicht-magnetischen Schichten, eine kontinuierliche Schicht aus einer Eisen Platin Legierung und eine Probe bestehend aus Eisen Platin Nanopartikeln eingebettet in einer Kohlenstoffmatrix. Die Studie der Remagnetisierung zeigt einen generellen Trend für alle diese Systeme auf: Der Remagnetisierungsprozess kann mit zwei Zeitabhängikeiten beschrieben werden. Eine erste exponentielle Zeitabhängigkeit, die mit zunehmender Menge an absorbierter Energie verlangsamt wird bis ein lineares Verhalten beobachtet wird. Darauf folgend gibt es eine zweite exponentielle funktionale Abhängigkeit in der Zeit. Im Falle einer geringen Energieabsorption ist die erste Remagnetisierung schneller als die zweite. Mit steigender Fluenz wird die Remagnetisierung in der ersten Zeitabhängigkeit verlangsamt und kann als lineare Funktion beschrieben werden. Wenn der durch den Pump Puls induzierte Temperatursprung in der Probe ausreichend groß ist, wird ein Phasenübergang in die paramagnetische Phase beobachtet. In dem Remagnetisierungsprozess wird dieser Übergang durch einen deutlich sichtbaren Wechsel zwischen linearem und exponentiellen Verhalten sichtbar. Mithilfe der Kombination aus der von Rötngendaten gewonnener Gittertemperatur Tp(t) und der Magnetisierung M(t) erhalten wir die zeitliche Abhängigkeit der Magnetisierung von der Gittertemperatur M(Tp). Falls die Gittertemperatur unter der Curietemperatur bleibt, ist die Remagnetisierungskurve M(Tp) linear und bleibt unterhalb der statischen Gleichgewichtskurve M(T) für die kontinuierlichen Übergangsmetalle. Wenn die Probe über den Phasenübergang geheizt wird, nähert sich die Remagnetisierung der statischen Kurve an. Die transiente Remagnetisierungskurven M(Tp) der granularen Eisen Platin Probe folgen immer einem der statischen Magnetisierungskurve ähnlichen Verlauf, unabhängig von dem laser-induzierten Temperatursprung.
KW  - ultrafast dynamics
KW  - remagnetization
KW  - magnetization dynamics
KW  - transition metals
KW  - condensed matter
KW  - ultraschnelle Dynamik
KW  - magneto-optics
KW  - Magneto-Optik
KW  - Remagnetisierung
KW  - Magnetisierungsdynamik
KW  - Übergangsmetalle
KW  - kondensierte Materie
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-441942
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TY  - THES
A1  - Trabant, Christoph
T1  - Ultrafast photoinduced phase transitions in complex materials probed by time-resolved resonant soft x-ray diffraction
T1  - Ultraschnelle lichtinduzierte Phasenübergänge in komplexen Materialien untersucht mit zeitaufgelöster resonanter Weichröntgenbeugung
N2  - In processing and data storage mainly ferromagnetic (FM) materials are being used. Approaching physical limits, new concepts have to be found for faster, smaller switches, for higher data densities and more energy efficiency. Some of the discussed new concepts involve the material classes of correlated oxides and materials with antiferromagnetic coupling. Their applicability depends critically on their switching behavior, i.e., how fast and how energy efficient material properties can be manipulated. This thesis presents investigations of ultrafast non-equilibrium phase transitions on such new materials. In transition metal oxides (TMOs) the coupling of different degrees of freedom and resulting low energy excitation spectrum often result in spectacular changes of macroscopic properties (colossal magneto resistance, superconductivity, metal-to-insulator transitions) often accompanied by nanoscale order of spins, charges, orbital occupation and by lattice distortions, which make these material attractive. Magnetite served as a prototype for functional TMOs showing a metal-to-insulator-transition (MIT) at T = 123 K. By probing the charge and orbital order as well as the structure after an optical excitation we found that the electronic order and the structural distortion, characteristics of the insulating phase in thermal equilibrium, are destroyed within the experimental resolution of 300 fs. The MIT itself occurs on a 1.5 ps timescale. It shows that MITs in functional materials are several thousand times faster than switching processes in semiconductors. Recently ferrimagnetic and antiferromagnetic (AFM) materials have become interesting. It was shown in ferrimagnetic GdFeCo, that the transfer of angular momentum between two opposed FM subsystems with different time constants leads to a switching of the magnetization after laser pulse excitation. In addition it was theoretically predicted that demagnetization dynamics in AFM should occur faster than in FM materials as no net angular momentum has to be transferred out of the spin system. We investigated two different AFM materials in order to learn more about their ultrafast dynamics. In Ho, a metallic AFM below T ≈ 130 K, we found that the AFM Ho can not only be faster but also ten times more energy efficiently destroyed as order in FM comparable metals. In EuTe, an AFM semiconductor below T ≈ 10 K, we compared the loss of magnetization and laser-induced structural distortion in one and the same experiment. Our experiment shows that they are effectively disentangled. An exception is an ultrafast release of lattice dynamics, which we assign to the release of magnetostriction. The results presented here were obtained with time-resolved resonant soft x-ray diffraction at the Femtoslicing source of the Helmholtz-Zentrum Berlin and at the free-electron laser in Stanford (LCLS). In addition the development and setup of a new UHV-diffractometer for these experiments will be reported.
N2  - In der Datenspeichertechnologie werden bisher hauptsächlich ferromagnetische Materialien eingesetzt. Da mit diesen aber physikalische Grenzen erreicht werden, werden neue Konzepte gesucht, um schnellere und kleinere Schalter, größere Datendichten und eine höherere Energieeffizienz zu erzeugen. Unter den diskutierten Materialklassen finden sich komplexen Übergangsmetalloxide und Materialien mit antiferromagnetischer Kopplung. Die Anwendbarkeit solcher Materialien hängt stark davon ab, wie schnell sich deren Eigenschaften verändern lassen und wieviel Energie dafür eingesetzt werden muss. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit ultraschnellen, Nicht-Gleichgewicht-Phasenübergängen genau in solchen Materialien. In Übergangsmetalloxiden führt die enge Kopplung zwischen den unterschiedlichen Freiheitsgraden zu einem effektiven niederenergetischen Anregungsspektrum. Diese Anregungen sind oft verknüpft mit spektakulären makroskopischen Eigenschaften, wie z.B. dem kolossalen Magnetowiderstand, Hochtemperatur-Supraleitung, Metall- Isolator-Übergang, die oft von nanoskaliger Ordnung von Spins, Ladungen, orbitaler Besetzung sowie Gitterverzerrungen begleitet sind. Dadurch werden diese Materialien interessant für Anwendbarkeit. Magnetit, ein Prototyp eines solchen funktionalen Materials zeigt einen Metall-Isolator-Übergang bei T = 123 K. Untersucht man die Ladungs- und orbitale Ordnung sowie die Struktur nach einer optischen Anregung, so findet man, dass die elektronische Struktur und Gitterverzerrung, die kennzeichnend für die Tieftemperaturphase sind, innerhalb der Zeitauflösung des Experiments von 300 fs zerstört wird. Der eigentliche Metall-Isolator-Übergang zeigt sich erst nach 1.5 ps. Die Ergebnisse zeigen, dass MITs in funktionalen Materialien bis zu tausend Mal schneller geschaltet werden können als in vorhandenen Halbleiter-Schaltern. Seit kurzem rücken auch ferrimagnetische und antiferromagnetische Materialen in den Fokus des Interesses. Es wurde im Ferrimagnet GdFeCo gezeigt, dass der Transfer von Drehimpuls zwischen zwei entgegengesetzten Subsystemen mit unterschiedlichen Zeitkonstanten zu einem Umschalten der Magnetisierung führt. Zudem wurde vorhergesagt, dass Demagnetisierungsdynamiken in antiferromagnetischen Materialien schneller ablaufen soll als in ferromagnetischen, da kein Drehimpuls aus dem Spinsystem abgeführt werden muss. Damit wir mehr über antiferromagnetische Dynamik erfahren haben wir zwei unterschiedliche Antiferromagneten untersucht, um sie mit den bekannten FM zu vergleichen. Im metallischen AFM Holmium fanden wir, dass die magnetische Ordnung schneller und zehnmal energieeffizienter zerstört werden kann als in vergleichbaren FM Metallen. In Europium-Tellurid, einem antiferromagnetischem Halbleiter, haben wir den Zerfall der magnetischen Ordnung im Hinblick auf Wechselwirkungen mit der Struktur untersucht. Wir fanden auf kurzen Zeitskalen eine eher entkoppelte Dynamik. Eine Ausnahme ist ein schneller Beitrag zur Gitterdynamik, den wir mit dem Wegfall von Magnetostriktion erklären. Die hier gezeigten Ergebnisse wurden mit Hilfe zeitaufgelöster resonanter weicher Röntgenbeugung an der Femtoslicing Strahlungsquelle des Helmholtz-Zentrums Berlin und am freien Elektronenlaser LCLS gemessen. Zusätzlich wird über die Entwicklung und den Bau eines UHV-Diffraktometers für diese Experimente berichtet.
KW  - Ultraschnell
KW  - Weichröntgenbeugung
KW  - nichtgleichgewichts Dynamik
KW  - Phasenübergänge
KW  - Antiferromagnetisch
KW  - Ultrafast
KW  - soft x-ray diffraction
KW  - photoinduced dynamics
KW  - phase transitions
KW  - antiferromagnetic
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-71377
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TY  - THES
A1  - Sander, Mathias
T1  - Ultrafast tailored strain fields in nanostructures
T1  - Ultraschnelle massgeschneiderte Dehnungsfelder in Nanostrukturen
N2  - This publication based thesis, which consists of seven published articles, summarizes my contributions to the research field of laser excited ultrafast structural dynamics. The coherent and incoherent lattice dynamics on microscopic length scales are detected by ultrashort optical and X-ray pulses. The understanding of the complex physical processes is essential for future improvements of technological applications. For this purpose, tabletop soruces and large scale facilities, e.g. synchrotrons, are employed to study structural dynamics of longitudinal acoustic strain waves and heat transport. The investigated effects cover timescales from hundreds of femtoseconds up to several microseconds.
The main part of this thesis is dedicated to the investigation of tailored phonon wave packets propagating in perovskite nanostructures. Tailoring is achieved either by laser excitation of nanostructured bilayer samples or by a temporal series of laser pulses. Due to the propagation of longitudinal acoustic phonons, the out-of-plane lattice spacing of a thin film insulator-metal bilayer sample is modulated on an ultrafast timescale. This leads to an ultrafast modulation of the X-ray diffraction efficiency which is employed as a phonon Bragg switch to shorten hard X-ray pulses emitted from a 3rd generation synchrotron.
In addition, we have observed nonlinear mixing of high amplitude phonon wave packets which originates from an anharmonic interatomic potential. A chirped optical pulse sequence excites a narrow band phonon wave packet with specific momentum and energy. The second harmonic generation of these phonon wave packets is followed by ultrafast X-ray diffraction. Phonon upconversion takes place because the high amplitude phonon wave packet modulates the acoustic properties of the crystal which leads to self steepening and to the successive generation of higher harmonics of the phonon wave packet.
Furthermore, we have demonstrated ultrafast strain in direction parallel to the sample surface. Two consecutive so-called transient grating excitations displaced in space and time are used to coherently control thermal gradients and surface acoustic modes. The amplitude of the coherent and incoherent surface excursion is disentangled by time resolved X-ray reflectivity measurements. We calibrate the absolute amplitude of thermal and acoustic surface excursion with measurements of longitudinal phonon propagation. In addition, we develop a diffraction model which allows for measuring the surface excursion on an absolute length scale with sub-Äangström precision. Finally, I demonstrate full coherent control of an excited surface deformation by amplifying and suppressing thermal and coherent excitations at the surface of a laser-excited Yttrium-manganite sample.
N2  - Diese publikations basierte Dissertation enthält sieben veröffentlichte Artikel und ist ein Beitrag zum Forschungsfeld der laserangeregten ultraschnellen Strukturdynamik. Dabei wird die kohärente und inkohärente Gitterdynamik mit Hilfe von ultrakurzen optischen Pulsen sowie Röntgenpulsen auf mikroskopischer Längenskala untersucht. Das Verständnis dieser komplexen physikalischen Prozesse ist essenziell für die Verbesserung von zukünftigen technologischen Anwendungen. Hierfür wurde die Strukturdynamik von longitudinal akustischen Schallwellen und Wärmetransport mit Hilfe von verschieden Messinstrumenten, basierend auf Labor und Synchrotronstrahlungsquellen, untersucht. Die untersuchten Effekte umfassen Zeitskalen von einigen hundert Femtosekunden bis hin zu mehreren Mikrosekunden.
Der Hauptteil meiner Dissertation beruht auf der Untersuchungen von definiert angeregten Phonon-Wellenpakten, die sich in Perowskit Nanostrukturen ausbreiten. Die Kontrolle wird entweder durch Laseranregung einer nanostruktieren Doppelschichtprobe oder durch eine zeitlich versetzte Laserpulsfolge erreicht. Dabei wird die Einheitszelle senkrecht zu den Gitterebenen auf ultraschnellen Zeiten modifiziert. Daraus folgt eine ultraschnelle Modulation der Röntgenbeugungs Effizienz, die als Phonon Braggschalter verwendet wird, um harte Röntgenpulse von Synchrotrons der dritten Generation zu verkürzen.
Zudem haben wir die nichtlineare Mischung von Phonon-Wellenpaketen mit hoher Amplitude beobachtet, die der Anharmonizität des interatomaren Potential herrührt. Durch eine gechirpte optische Laserpulsfolge wird ein schmalbandiges Phonon-Wellenpaket mit definiertem Impuls und definierter Energie angeregt. Dabei wird die Erzeugung der zweiten Harmonischen mittels ultraschneller Röntgenbeugung untersucht. Die Phononkonversion findet hierbei durch die hohe Phononamplitude statt, die die akustischen Eigenschaften des Kristalls verändert. Dieser Prozess führt zum Aufsteilen der Wellenfront und folglich zur Erzeugung der höheren Harmonischen des Phonon-Wellenpakets.
Außerdem habe ich ultraschnelle Schallpulse parallel zur Richtung der Probenoberfläche demonstriert. Dabei werden zwei sogenannte transiente Gitteranregungen verwendet, die räumlich und zeitlich zueinander versetzt sind, um thermische Gradienten und akustische Oberflächenmoden kohärent zu kontrollieren. Die Amplitude der kohärenten und inkohärenten Oberflächenausdehnung kann mit Hilfe von Röntgenreflektivität getrennt betrachtet werden. Zusätzlich haben wir ein Beugungsmodel entwickelt, mit dem wir die Oberflächenausdehnung auf einer absoluten Längenskale mit sub-Ängström Präzision kalibrieren. Schließlich zeige ich volle kohärente Kontrolle von der angeregten Oberflächenausdehnung durch Verstärkung und Unterdrückung von thermischen und kohärenten Anregungen auf der Oberfläche einer dünnen, laserangeregten Yttriummanganat Schicht.
KW  - Ultrafast X-ray diffraction
KW  - strain
KW  - acoustic waves
KW  - Ultraschnelle Röntgenbeugung
KW  - akustische Wellen
KW  - Dehnung
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-417863
ER  - 
TY  - THES
A1  - Koç, Azize
T1  - Ultrafast x-ray studies on the non-equilibrium of the magnetic and phononic system in heavy rare-earths
T1  - Ultraschnelle Röntgenuntersuchungen des Nichtgleichgewichts der magnetischen und phononischen Systeme in schweren Seltenen Erden
N2  - In this dissertation the lattice and the magnetic recovery dynamics of the two heavy rare-earth metals Dy and Gd after femtosecond photoexcitation are described. For the investigations, thin films of Dy and Gd were measured at low temperatures in the antiferromagnetic phase of Dy and close to room temperature in the ferromagnetic phase of Gd. Two different optical pump-x-ray probe techniques were employed: Ultrafast x-ray diffraction with hard x-rays (UXRD) yields the structural response of heavy rare-earth metals and resonant soft (elastic) x-ray diffraction (RSXD), which allows measuring directly changes in the helical antiferromagnetic order of Dy. The combination of both techniques enables to study the complex interaction between the magnetic and the phononic subsystems.
N2  - In dieser Dissertation wird die Relaxationsdynamik des Gitters und der magnetischen Ordnung der  zwei schweren, seltenen Erden Dy und Gd nach der Anregung mit femtosekunden Laserpulsen beschrieben. Für diese Untersuchungen wurden dünne Schichten von Dy und Gd bei niedrigen Temperaturen in der antiferromagnetischen Phase von Dy und nahe der Raumtemperatur in der ferromagnetischen Phase von Gd gemessen. Es wurden zwei verschiedene Experimente mittels optischem Anrege- Röntgen Abfrageverfahren durchgeführt, die ultraschnelle Röntgenbeugung mit harten Röntgenstrahlen (UXRD) und die resonante weiche (elastische) Röntgenbeugung (RSXD). Letzteres Verfahren erlaubt es, direkt die Änderungen der helikalen, antiferromagnetischen Ordnung zu messen. Die Kombination beider Techniken ermöglicht es, die komplexe Wechselwirkung zwischen dem magnetischen und dem phononischen Subsystem zu untersuchen.
KW  - magnetostriction
KW  - time-resolved x-ray diffraction
KW  - resonant soft x-ray diffraction
KW  - magnetism
KW  - critical exponent
KW  - heat transport
KW  - dysprosium
KW  - gadolinium
KW  - rare-earth metals
KW  - non-equilibrium
KW  - dynamics
KW  - magnetic and phononic system
KW  - Magnetostriktion
KW  - zeitaufgelöste Röntgenbeugung
KW  - resonante weiche Röntgenbeugung
KW  - Magnetismus
KW  - kritischer Exponent
KW  - Wärmetransport
KW  - Dysprosium
KW  - Gadolinium
KW  - Metalle der seltenen Erden
KW  - Nichtgleichgewicht
KW  - Dynamik
KW  - magnetisches und phononisches System
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-423282
ER  - 
TY  - THES
A1  - Goswami, Bedartha
T1  - Uncertainties in climate data analysis
T1  - Unsicherheiten in der Analyse von Klimadaten
BT  - Perspectives on working with measurement errors and other unknowns
BT  - Über Möglichkeiten der Arbeit mit Meßfehlern und anderen Unbekannten
N2  - Scientific inquiry requires that we formulate not only what we know, but also what we do not know and by how much. In climate data analysis, this involves an accurate specification of measured quantities and a consequent analysis that consciously propagates the measurement errors at each step. The dissertation presents a thorough analytical method to quantify errors of measurement inherent in paleoclimate data. An additional focus are the uncertainties in assessing the coupling between different factors that influence the global mean temperature (GMT).

Paleoclimate studies critically rely on `proxy variables' that record climatic signals in natural archives. However, such proxy records inherently involve uncertainties in determining the age of the signal. We present a generic Bayesian approach to analytically determine the proxy record along with its associated uncertainty, resulting in a time-ordered sequence of correlated probability distributions rather than a precise time series. We further develop a recurrence based method to detect dynamical events from the proxy probability distributions. The methods are validated with synthetic examples and
demonstrated with real-world proxy records. The proxy estimation step reveals the interrelations between proxy variability and uncertainty. The recurrence analysis of the East Asian Summer Monsoon during the last 9000 years confirms the well-known `dry' events at 8200 and 4400 BP, plus an additional significantly dry event at 6900 BP.

We also analyze the network of dependencies surrounding GMT. We find an intricate, directed network with multiple links between the different factors at multiple time delays. We further uncover a significant feedback from the GMT to the El Niño Southern Oscillation at quasi-biennial timescales. The analysis highlights the need of a more nuanced formulation of influences between different climatic factors, as well as the limitations in trying to estimate such dependencies.
N2  - Wissenschaftliche Untersuchungen setzen nicht nur eine Formulierung des gegenwärtigen Kenntnisstandes mitsamt ihrer Unsicherheiten voraus, sondern ebenso eine Eingrenzung des Unbekannten. Bezogen auf die Analyse von Klimadaten beinhaltet dies eine präzise Spezifikation gemessener Größen sowie eine durchgängige Berücksichtigung ihrer Messunsicherheiten in allen Schritten der Analyse. Diese Dissertation präsentiert eine analytische Methode zur Quantifizierung der in Paläoklimadaten inhärenten Messunsicherheiten. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der Untersuchung von Unsicherheiten in der Kopplungsstruktur zwischen Klimafaktoren die bekanntermaßen die globale Durchschnittstemperatur (GMT global mean temperature) beeinflussen.

Die Paläoklimaforschung beruht in kritischem Maße auf der Analyse von Proxydaten welche die Klimaentwicklung dokumentieren. Allerdings sind Proxydaten mit inhärenten Datierungsunsicherheiten behaftet. Basierend auf einem generischen Bayes’schen Ansatz wird in dieser Dissertation eine analytische Methode vorgestellt um aus den zeitlich unsicheren Proxydaten zeitlich präzise Folgen korrelierter Wahrscheinlichkeitsverteilungen zu erhalten. Von diesen Verteilungen werden Proxyzeitreihen zusammen mit ihren Unsicherheiten berechnet. Weiterhin wird eine rekurrenzbasierte Methode zur Analyse von Proxydaten entwickelt welche anhand dieser Wahrscheinlichkeitsverteilungen plötzliche Änderungen in der Dynamik des Systems ermittelt. Beide Methoden werden mit Hilfe synthetischer Beispieldaten validiert und mit realen Proxydaten demonstriert. Diese statistische Analyse von Proxydaten deckt unteranderem die Beziehungen zwischen der Variabilität der Daten und zugehöriger Unsicherheiten der Proxyzeitreihen auf. Die Re- kurrenzanalyse des Ostasiatischen Sommermonsuns bestätigt die bekannten Trockenzeiten der letzten 9.000 Jahre um 8.200 bzw. 4.400 Jahre vor unserer Zeit und deckt eine zusätzliche Trockenzeit um etwa 6.900 Jahre vor unserer Zeit auf.

Die Kopplungsstruktur zwischen Klimafaktoren die bekanntermaßen die GMT beeinflussen lässt sich als ein verworrenes, gerichtetes Netzwerk mit multiplen Links, welche zu verschiedenen Zeitskalen gehören, darstellen. Speziell ergibt sich eine signifikante Wechselwirkung zwischen der GMT und dem ENSO-Phänomen (El Niño-Southern Oscillation) auf einer quasi-zweijährigen Zeitskala. Einerseits beleuchtet diese Analyse die Notwendigkeit Einflüsse verschiedener Klimafaktoren auf die GMT nuancierter zu formulieren, andererseits werden die Grenzen der Quantifizierung dieser Einflüsse aufgezeigt.
KW  - data analysis
KW  - Bayesian estimation
KW  - Bayessche Schätzer
KW  - Datenanalyse
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-78312
ER  - 
TY  - THES
A1  - Büchner, Robby
T1  - Understanding local electronic structure variations in bio-inspired aromatic molecules
T1  - Erkenntnisse über lokale Variationen der elektronischen Struktur in biologisch inspirierten aromatischen Molekülen
N2  - In this thesis, the dependencies of charge localization and itinerance in two classes of aromatic molecules are accessed: pyridones and porphyrins. The focus lies on the effects of isomerism, complexation, solvation, and optical excitation, which are concomitant with different crucial biological applications of specific members of these groups of compounds. Several porphyrins play key roles in the metabolism of plants and animals. The nucleobases, which store the genetic information in the DNA and RNA are pyridone derivatives. Additionally, a number of vitamins are based on these two groups of substances. 
This thesis aims to answer the question of how the electronic structure of these classes of molecules is modified, enabling the versatile natural functionality. The resulting insights into the effect of constitutional and external factors are expected to facilitate the design of new processes for medicine, light-harvesting, catalysis, and environmental remediation.   

The common denominator of pyridones and porphyrins is their aromatic character. As aromaticity was an early-on topic in chemical physics, the overview of relevant theoretical models in this work also mirrors the development of this scientific field in the 20th century. The spectroscopic investigation of these compounds has long been centered on their global, optical transition between frontier orbitals.

The utilization and advancement of X-ray spectroscopic methods characterizing the local electronic structure of molecular samples form the core of this thesis. The element selectivity of the near-edge X-ray absorption fine structure (NEXAFS) is employed to probe the unoccupied density of states at the nitrogen site, which is key for the chemical reactivity of pyridones and porphyrins. The results contribute to the growing database of NEXAFS features and their interpretation, e.g., by advancing the debate on the porphyrin N K-edge through systematic experimental and theoretical arguments. Further, a state-of-the-art laser pump – NEXAFS probe scheme is used to characterize the relaxation pathway of a photoexcited porphyrin on the atomic level.

Resonant inelastic X-ray scattering (RIXS) provides complementary results by accessing the highest occupied valence levels including symmetry information. It is shown that RIXS is an effective experimental tool to gain detailed information on charge densities of individual species in tautomeric mixtures. Additionally, the hRIXS and METRIXS high-resolution RIXS spectrometers, which have been in part commissioned in the course of this thesis, will gain access to the ultra-fast and thermal chemistry of pyridones, porphyrins, and many other compounds.

With respect to both classes of bio-inspired aromatic molecules, this thesis establishes that even though pyridones and porphyrins differ largely by their optical absorption bands and hydrogen bonding abilities, they all share a global stabilization of local constitutional changes and relevant external perturbation. It is because of this wide-ranging response that pyridones and porphyrins can be applied in a manifold of biological and technical processes.
N2  - In dieser Arbeit werden die Abhängigkeiten von Ladungslokalisierung und -wanderung in zwei Klassen von aromatischen Molekülen untersucht: Pyridone und Porphyrine. Der Schwerpunkt liegt auf den Auswirkungen von Isomerie, Komplexierung, Lösung (in Wasser) und optischer Anregung, die mit verschiedenen entscheidenden biologischen Anwendungen spezifischer Mitglieder dieser Gruppen von Verbindungen einhergehen. Mehrere Porphyrine spielen eine Schlüsselrolle im Stoffwechsel von Pflanzen und Tieren. Die Nukleobasen, die die genetische Information in der DNA und RNA speichern, sind Pyridonderivate. Auch mehrere Vitamine basieren auf diesen beiden Stoffgruppen. Ziel dieser Arbeit ist es, die Frage zu beantworten, wie die elektronische Struktur dieser Molekülklassen modifiziert wird, sodass die vielfältigen Funktionen in der Natur ermöglicht werden. Die sich daraus ergebenden Erkenntnisse über die Wirkung konstitutioneller und externer Einflussfaktoren ermöglichen die Entwicklung neuer Verfahren in der Medizin, Katalyse, Solar- und Umwelttechnik.

Die Gemeinsamkeit von Pyridonen und Porphyrinen ist ihr aromatischer Charakter. Da Aromatizität von Beginn der chemischen Physik an thematisiert wurde, spiegelt der Überblick relevanter theoretischer Modelle in dieser Arbeit auch die Entwicklung dieses Wissenschaftsgebiets im 20. Jahrhundert wieder. Die spektroskopische Untersuchung dieser Verbindungen konzentrierte sich lange Zeit auf die globalen, optischen Übergänge zwischen den Grenzorbitalen.

Die Anwendung und Weiterentwicklung röntgenspektroskopischer Methoden zur Charakterisierung der lokalen elektronischen Struktur von molekularen Proben bilden den Kern dieser Arbeit. Die Elementselektivität der Röntgen-Nahkanten-Absorptions-Spektroskopie (NEXAFS) wird genutzt, um die unbesetzte Zustandsdichte an den Stickstoffatomen zu untersuchen, welche für die chemische Reaktivität von Pyridonen und Porphyrinen verantwortlich sind. Die Ergebnisse tragen zum wachsenden Bestand von NEXAFS-Spektren und ihrer Interpretation bei, z.B. indem sie die Debatte über die N K-Kante von Porphyrinen durch systematische experimentelle und theoretische Argumente voranbringen. Zudem wird ein modernes Laser-Pump – NEXAFS-Probe System verwendet, um den Relaxationsprozess eines photoangeregten Porphyrins auf atomarer Ebene zu charakterisieren.

Die resonante inelastische Röntgenstreuung (RIXS) liefert komplementäre Ergebnisse, indem sie die höchsten besetzten Valenzniveaus einschließlich Symmetrieinformationen zugänglich macht. Es wird gezeigt, dass RIXS eine effektive experimentelle Methode ist, um detaillierte Informationen über die Ladungsdichten einzelner Tautomere in einem Gemisch zu erhalten. Zudem werden es die hochauflösenden RIXS-Spektrometer hRIXS und METRIXS, die im Rahmen dieser Arbeit mit in Betrieb genommen wurden, erlauben, Informationen zur ultraschnellen und thermischen Chemie von Pyridonen, Porphyrinen und vielen anderen Verbindungen zu gewinnen.

Im Hinblick auf beide Klassen biologisch inspirierter, aromatischer Moleküle wird in dieser Arbeit gezeigt, dass sich Pyridone und Porphyrine zwar durch ihre optischen Absorptionsbanden und ihre Fähigkeit zu Wasserstoffbrückenbindungen unterscheiden, aber alle Verbindungen eine globale Stabilisierung lokaler Konstitutionsänderungen und relevanter äußerer Einflüsse aufweisen. Aufgrund dieser weitreichenden Anpassung können Pyridone und Porphyrine in einer Vielzahl von biologischen und technischen Prozessen eingesetzt werden.
KW  - NEXAFS
KW  - RIXS
KW  - X-ray spectroscopy
KW  - Aromaticity
KW  - Porphyrins
KW  - Pyridones
KW  - Röntgenspektroskopie
KW  - Aromatizität
KW  - Porphyrine
KW  - Pyridone
KW  - NEXAFS
KW  - RIXS
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-553192
ER  - 
TY  - THES
A1  - Smirnov, Artem
T1  - Understanding the dynamics of the near-earth space environment utilizing long-term satellite observations
T1  - Verständnis der Dynamik der erdnahen Weltraumumgebung mit Hilfe von Langzeit-Satellitenbeobachtungen
N2  - The near-Earth space environment is a highly complex system comprised of several regions and particle populations hazardous to satellite operations. The trapped particles in the radiation belts and ring current can cause significant damage to satellites during space weather events, due to deep dielectric and surface charging. Closer to Earth is another important region, the ionosphere, which delays the propagation of radio signals and can adversely affect navigation and positioning. In response to fluctuations in solar and geomagnetic activity, both the inner-magnetospheric and ionospheric populations can undergo drastic and sudden changes within minutes to hours, which creates a challenge for predicting their behavior. Given the increasing reliance of our society on satellite technology, improving our understanding and modeling of these populations is a matter of paramount importance.

In recent years, numerous spacecraft have been launched to study the dynamics of particle populations in the near-Earth space, transforming it into a data-rich environment. To extract valuable insights from the abundance of available observations, it is crucial to employ advanced modeling techniques, and machine learning methods are among the most powerful approaches available. This dissertation employs long-term satellite observations to analyze the processes that drive particle dynamics, and builds interdisciplinary links between space physics and machine learning by developing new state-of-the-art models of the inner-magnetospheric and ionospheric particle dynamics.

The first aim of this thesis is to investigate the behavior of electrons in Earth's radiation belts and ring current. Using ~18 years of electron flux observations from the Global Positioning System (GPS), we developed the first machine learning model of hundreds-of-keV electron flux at Medium Earth Orbit (MEO) that is driven solely by solar wind and geomagnetic indices and does not require auxiliary flux measurements as inputs. We then proceeded to analyze the directional distributions of electrons, and for the first time, used Fourier sine series to fit electron pitch angle distributions (PADs) in Earth's inner magnetosphere. We performed a superposed epoch analysis of 129 geomagnetic storms during the Van Allen Probes era and demonstrated that electron PADs have a strong energy-dependent response to geomagnetic activity. Additionally, we showed that the solar wind dynamic pressure could be used as a good predictor of the PAD dynamics. Using the observed dependencies, we created the first PAD model with a continuous dependence on L, magnetic local time (MLT) and activity, and developed two techniques to reconstruct near-equatorial electron flux observations from low-PA data using this model.

The second objective of this thesis is to develop a novel model of the topside ionosphere. To achieve this goal, we collected observations from five of the most widely used ionospheric missions and intercalibrated these data sets. This allowed us to use these data jointly for model development, validation, and comparison with other existing empirical models. We demonstrated, for the first time, that ion density observations by Swarm Langmuir Probes exhibit overestimation (up to ~40-50%) at low and mid-latitudes on the night side, and suggested that the influence of light ions could be a potential cause of this overestimation. To develop the topside model, we used 19 years of radio occultation (RO) electron density profiles, which were fitted with a Chapman function with a linear dependence of scale height on altitude. This approximation yields 4 parameters, namely the peak density and height of the F2-layer and the slope and intercept of the linear scale height trend, which were modeled using feedforward neural networks (NNs). The model was extensively validated against both RO and in-situ observations and was found to outperform the International Reference Ionosphere (IRI) model by up to an order of magnitude. Our analysis showed that the most substantial deviations of the IRI model from the data occur at altitudes of 100-200 km above the F2-layer peak. The developed NN-based ionospheric model reproduces the effects of various physical mechanisms observed in the topside ionosphere and provides highly accurate electron density predictions.

This dissertation provides an extensive study of geospace dynamics, and the main results of this work contribute to the improvement of models of plasma populations in the near-Earth space environment.
N2  - Die erdnahe Weltraumumgebung ist ein hochkomplexes System, das aus mehreren Regionen und Partikelpopulationen besteht, die für den Satellitenbetrieb gefährlich sind. Die in den Strahlungsgürteln und dem Ringstrom gefangenen Teilchen können bei Weltraumwetterereignissen aufgrund der tiefen dielektrischen und oberflächlichen Aufladung erhebliche Schäden an Satelliten verursachen. Näher an der Erde liegt eine weitere wichtige Region, die Ionosphäre, die die Ausbreitung von Funksignalen verzögert und die Navigation und Positionsbestimmung beeinträchtigen kann. Als Reaktion auf Fluktuationen der solaren und geomagnetischen Aktivität können sowohl die Populationen der inneren Magnetosphäre als auch der Ionosphäre innerhalb von Minuten bis Stunden drastische und plötzliche Veränderungen erfahren, was eine Herausforderung für die Vorhersage ihres Verhaltens darstellt. Angesichts der zunehmenden Abhängigkeit unserer Gesellschaft von der Satellitentechnologie ist ein besseres Verständnis und eine bessere Modellierung dieser Populationen von größter Bedeutung.

In den letzten Jahren wurden zahlreiche Raumsonden gestartet, um die Dynamik von Partikelpopulationen im erdnahen Weltraum zu untersuchen, was diesen in eine datenreiche Umgebung verwandelt hat. Um aus der Fülle der verfügbaren Beobachtungen wertvolle Erkenntnisse zu gewinnen, ist der Einsatz fortschrittlicher Modellierungstechniken unabdingbar, und Methoden des maschinellen Lernens gehören zu den leistungsfähigsten verfügbaren Ansätzen. Diese Dissertation nutzt langfristige Satellitenbeobachtungen, um die Prozesse zu analysieren, die die Teilchendynamik antreiben, und schafft interdisziplinäre Verbindungen zwischen Weltraumphysik und maschinellem Lernen, indem sie neue hochmoderne Modelle der innermagnetosphärischen und ionosphärischen Teilchendynamik entwickelt.

Das erste Ziel dieser Arbeit ist es, das Verhalten von Elektronen im Strahlungsgürtel und Ringstrom der Erde zu untersuchen. Unter Verwendung von ~18 Jahren Elektronenflussbeobachtungen des Global Positioning System (GPS) haben wir das erste maschinelle Lernmodell des Elektronenflusses im mittleren Erdorbit (MEO) entwickelt, das ausschließlich durch Sonnenwind und geomagnetische Indizes gesteuert wird und keine zusätzlichen Flussmessungen als Eingaben benötigt. Anschließend analysierten wir die Richtungsverteilungen der Elektronen und verwendeten zum ersten Mal Fourier-Sinus-Reihen, um die Elektronen-Stellwinkelverteilungen (PADs) in der inneren Magnetosphäre der Erde zu bestimmen. Wir führten eine epochenübergreifende Analyse von 129 geomagnetischen Stürmen während der Van-Allen-Sonden-Ära durch und zeigten, dass die Elektronen-PADs eine starke energieabhängige Reaktion auf die geomagnetische Aktivität haben. Außerdem konnten wir zeigen, dass der dynamische Druck des Sonnenwindes als guter Prädiktor für die PAD-Dynamik verwendet werden kann. Anhand der beobachteten Abhängigkeiten haben wir das erste PAD-Modell mit einer kontinuierlichen Abhängigkeit von L, der magnetischen Ortszeit (MLT) und der Aktivität erstellt und zwei Techniken entwickelt, um die Beobachtungen des äquatornahen Elektronenflusses aus Daten mit niedrigem Luftdruck mit Hilfe dieses Modells zu rekonstruieren.

Das zweite Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines neuen Modells der Topside-Ionosphäre. Um dieses Ziel zu erreichen, haben wir Beobachtungen von fünf der meistgenutzten Ionosphärenmissionen gesammelt und diese Datensätze interkalibriert. So konnten wir diese Daten gemeinsam für die Modellentwicklung, die Validierung und den Vergleich mit anderen bestehenden empirischen Modellen nutzen. Wir haben zum ersten Mal gezeigt, dass die Ionendichtebeobachtungen von Swarm-Langmuir-Sonden in niedrigen und mittleren Breiten auf der Nachtseite eine Überschätzung (bis zu ~40-50%) aufweisen, und haben vorgeschlagen, dass der Einfluss leichter Ionen eine mögliche Ursache für diese Überschätzung sein könnte. Zur Entwicklung des Oberseitenmodells wurden 19 Jahre lang Elektronendichteprofile aus der Radio-Okkultation (RO) verwendet, die mit einer Chapman-Funktion mit einer linearen Abhängigkeit der Skalenhöhe von der Höhe angepasst wurden. Aus dieser Näherung ergeben sich 4 Parameter, nämlich die Spitzendichte und die Höhe der F2-Schicht sowie die Steigung und der Achsenabschnitt des linearen Trends der Skalenhöhe, die mit Hilfe von neuronalen Feedforward-Netzwerken (NN) modelliert wurden. Das Modell wurde sowohl anhand von RO- als auch von In-situ-Beobachtungen umfassend validiert und übertrifft das Modell der Internationalen Referenz-Ionosphäre (IRI). Unsere Analyse zeigte, dass die größten Abweichungen des IRI-Modells von den Daten in Höhen von 100-200 km über der F2-Schichtspitze auftreten. Das entwickelte NN-basierte Ionosphärenmodell reproduziert die Auswirkungen verschiedener physikalischer Mechanismen, die in der Topside-Ionosphäre beobachtet werden, und liefert sehr genaue Vorhersagen der Elektronendichte.

Diese Dissertation bietet eine umfassende Untersuchung der Dynamik in der Geosphäre, und die wichtigsten Ergebnisse dieser Arbeit tragen zur Verbesserung der Modelle von Plasmapopulationen in der erdnahen Weltraumumgebung bei.
KW  - Ionosphere
KW  - radiation belts
KW  - ring current
KW  - space physics
KW  - empirical modeling
KW  - machine learning
KW  - gradient boosting
KW  - neural networks
KW  - Ionosphäre
KW  - empirische Modellierung
KW  - Gradient Boosting
KW  - maschinelles Lernen
KW  - neuronale Netze
KW  - Strahlungsgürtel
KW  - Ringstrom
KW  - Weltraumphysik
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-613711
ER  - 
TY  - THES
A1  - Svirejeva-Hopkins, Anastasia
T1  - Urbanised territories as a specific component of the global carbon cycle
N2  - Wir betrachten folgende Teile: die zusätzlichen Kohlenstoff(C)-emissionen, welche aus der Umwandlung von natürlichem Umland durch Stadtwachstum resultieren, und die Änderung des C-Flusses durch 'urbanisierte' Ökosysteme, soweit atmosphärisches C durch diese in umliegende natürliche Ökosysteme entlang der Kette &ldquo;Atmosphäre -> Vegetation -> abgestorbene organische Substanzen&rdquo; gepumpt wird: d.h. C-Export; für den Zeitraum von 1980 bis 2050. Als Szenario nutzen wir Prognosen der regionalen Stadtbevölkerung, welche durch ein 'Hybridmodell' generiert werden für acht Regionen. Alle Schätzungen der C-Flüsse basieren auf zwei Modellen: das Regression Modell und das sogenannte G-Modell. Die Siedlungsfläche, welche mit dem Wachstum der Stadtbevölkerung zunimmt, wird in 'Grünflächen' (Parks, usw.), Gebäudeflächen und informell städtisch genutzte Flächen (Slums, illegale Lagerplätze, usw.) unterteilt. Es werden jährlich die regionale und globale Dynamik der C-Emissionen und des C-Exports sowie die C-Gesamtbilanz berechnet. Dabei liefern beide Modelle qualitativ ähnliche Ergebnisse, jedoch gibt es einige quantitative Unterschiede. Im ersten Modell erreicht die globale Jahresemission für die Dekade 2020-2030 resultierend aus der Landnutzungsänderung ein Maximum von 205 Mt/a. Die maximalen Beiträge zur globalen Emission werden durch China, die asiatische und die pazifische Region erbracht. Im zweiten Modell erhöht sich die jährliche globale Emission von 1.12 GtC/a für 1980 auf 1.25 GtC/a für 2005 (1Gt = 109 t). Danach beginnt eine Reduzierung. Vergleichen wir das Emissionmaximum mit der Emission durch Abholzung im Jahre 1980 (1.36 GtC/a), können wir konstatieren, daß die Urbanisierung damit in vergleichbarer Grösse zur Emission beiträgt. Bezogen auf die globale Dynamik des jährlichen C-Exports durch Urbanisierung beobachten wir ein monotones Wachstum bis zum nahezu dreifachen Wert von 24 MtC/a für 1980 auf 66 MtC/a für 2050 im ersten Modell, bzw. im zweiten Modell von 249 MtC/a für 1980 auf 505 MtC/a für 2050. Damit ist im zweiten Fall die Transportleistung der Siedlungsgebiete mit dem C-Transport durch Flüsse in die Ozeane (196 .. 537 MtC/a) vergleichbar. Bei der Abschätzung der Gesamtbilanz finden wir, daß die Urbanisierung die Bilanz in Richtung zu einer 'Senke' verschiebt. Entsprechend dem zweiten Modell beginnt sich die C-Gesamtbilanz (nach annähernder Konstanz) ab dem Jahre 2000 mit einer fast konstanten Rate zu verringern. Wenn das Maximum im Jahre 2000 bei 905MtC/a liegt, fällt dieser Wert anschliessend bis zum Jahre 2050 auf 118 MtC/a. Bei Extrapolation dieser Dynamik in die Zukunft können wir annehmen, daß am Ende des 21. Jahrhunderts die &ldquo;urbane&rdquo; C-Gesamtbilanz Null bzw. negative Werte erreicht.
N2  - We calculate the additional carbon emissions as a result of the conversion of natural land in a process of urbanisation; and the change of carbon flows by &ldquo;urbanised&rdquo; ecosystems, when the atmospheric carbon is exported to the neighboring territories, from 1980 till 2050 for the eight regions of the world. As a scenario we use combined UN and demographic model&prime;s prognoses for regional total and urban population growth. The calculations of urban areas dynamics are based on two models: the regression model and the Gamma-model. The urbanised area is sub-divided on built-up, &bdquo;green&ldquo; (parks, etc.) and informal settlements (favelas) areas. The next step is to calculate the regional and world dynamics of carbon emission and export, and the annual total carbon balance. Both models give similar results with some quantitative differences. In the first model, the world annual emissions attain a maximum of 205 MtC/year between 2020-2030. Emissions will then slowly decrease. The maximum contributions are given by China and the Asia and Pacific regions. In the second model, world annual emissions increase to 1.25 GtC in 2005, beginning to decrease afterwards. If we compare the emission maximum with the annual emission caused by deforestation, 1.36GtC per year, then we can say that the role of urbanised territories (UT) is of a comparable magnitude. Regarding the world annual export of carbon by UT, we observe its monotonous growth by three times, from 24 MtC to 66 MtC in the first model, and from 249 MtC to 505 MtC in the second one. The latter, is therefore comparable to the amount of carbon transported by rivers into the ocean (196-537 MtC). By estimating the total balance we find that urbanisation shifts the total balance towards a &ldquo;sink&rdquo; state. The urbanisation is inhibited in the interval 2020-2030, and by 2050 the growth of urbanised areas would almost stop. Hence, the total emission of natural carbon at that stage will stabilise at the level of the 1980s (80 MtC per year). As estimated by the second model, the total balance, being almost constant until 2000, then starts to decrease at an almost constant rate. We can say that by the end of the XXI century, the total carbon balance will be equal to zero, when the exchange flows are fully balanced, and may even be negative, when the system begins to take up carbon from the atmosphere, i.e., becomes a &ldquo;sink&rdquo;.
T2  - Urbanised territories as a specific component of the global carbon cycle
KW  - Urbanisierung
KW  - C-Senke
KW  - Bilanz
KW  - Kohlenstoffzyklus
KW  - Städte
KW  - C-Fluss
KW  - Slums
KW  - Vegetation
KW  - Verteilung
KW  - urban
KW  - land conversion
KW  - carbon
KW  - sink
KW  - cities
KW  - urbanisation
KW  - emissions
KW  - favela
KW  - regional
KW  - population
KW  - density
KW  - distribution
KW  - flux
KW  - vegetation
Y1  - 2004
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0001512
ER  - 
TY  - THES
A1  - Solopow, Sergej
T1  - Wavelength dependent demagnetization dynamics in Co2MnGa Heusler-alloy
T1  - Wellenlängeabhängige Entmagnetisierungsdynamik in Co2MnGa Heusler-Legierung
N2  - In dieser Arbeit haben wir ultraschnelle Entmagnetisierung an einer Heusler-Legierung untersucht. Es handelt sich um ein Halbmetall, das sich in einer ferromagnetischen Phase befindet. Die Besonderheit dieses Materials besteht im Aufbau einer Bandstruktur. Diese bildet Zustandsdichten, in der die Majoritätselektronen eine metallische Bänderbildung aufweisen und die Minoritätselektronen eine Bandlücke in der Nähe des Fermi-Niveaus aufweisen, das dem Aufbau eines Halbleiters entspricht. Mit Hilfe der Pump-Probe-Experimente haben wir zeitaufgelöste Messungen durchgeführt. Für das Pumpen wurden ultrakurze Laserpulse mit einer Pulsdauer von 100 fs benutzt. Wir haben dabei zwei verschiedene Wellenlängen mit 400 nm und 1240 nm benutzt, um den Effekt der Primäranregung und der Bandlücke in den Minoritätszuständen zu untersuchen. Dabei wurde zum ersten Mal OPA (Optical Parametrical Amplifier) für die Erzeugung der langwelligen Pulse an der FEMTOSPEX-Beamline getestet und erfolgreich bei den Experimenten verwendet. Wir haben Wellenlängen bedingte Unterschiede in der Entmagnetisierungszeit gemessen. Mit der Erhöhung der Photonenenergie ist der Prozess der Entmagnetisierung deutlich schneller als bei einer niedrigeren Photonenenergie. Wir verknüpften diese Ergebnisse mit der Existenz der Energielücke für Minoritätselektronen. Mit Hilfe lokaler Elliot-Yafet-Streuprozesse können die beobachteten Zeiten gut erklärt werden. Wir haben in dieser Arbeit auch eine neue Probe-Methode für die Magnetisierung angewandt und somit experimentell deren Effektivität, nämlich XMCD in Refletiongeometry, bestätigen können. Statische Experimente liefern somit deutliche Indizien dafür, dass eine magnetische von einer rein elektronischen Antwort des Systems getrennt werden kann. Unter der Voraussetzung, dass die Photonenenergie der Röntgenstrahlung auf die L3 Kante des entsprechenden Elements eingestellt, ein geeigneter Einfallswinkel gewählt und die zirkulare Polarisation fixiert wird, ist es möglich, diese Methode zur Analyse magnetischer und elektronischer Respons anzuwenden.
N2  - In this work we investigated ultrafast demagnetization in a Heusler-alloy. This material belongs to the halfmetal and exists in a ferromagnetic phase. A special feature of investigated alloy is a structure of electronic bands. The last leads to the specific density of the states. Majority electrons form a metallic like structure while minority electrons form a gap near the Fermi-level, like in semiconductor. This particularity offers a good possibility to use this material as model-like structure and to make some proof of principles concerning demagnetization. Using pump-probe experiments we carried out time-resolved measurements to figure out the times of demagnetization. For the pumping we used ultrashort laser pulses with duration around 100 fs. Simultaneously we used two excitation regimes with two different wavelengths namely 400 nm and 1240 nm. Decreasing the energy of photons to the gap size of the minority electrons we explored the effect of the gap on the demagnetization dynamics. During this work we used for the first time OPA (Optical Parametrical Amplifier) for the generation of the laser irradiation in a long-wave regime. We tested it on the FETOSPEX-beamline in BASSYII electron storage ring. With this new technique we measured wavelength dependent demagnetization dynamics. We estimated that the demagnetization time is in a correlation with photon energy of the excitation pulse. Higher photon energy leads to the faster demagnetization in our material. We associate this result with the existence of the energy-gap for minority electrons and explained it with Elliot-Yaffet-scattering events. Additionally we applied new probe-method for magnetization state in this work and verified their effectivity. It is about the well-known XMCD (X-ray magnetic circular dichroism) which we adopted for the measurements in reflection geometry. Static experiments confirmed that the pure electronic dynamics can be separated from the magnetic one. We used photon energy fixed on the L3 of the corresponding elements with circular polarization. Appropriate incidence angel was estimated from static measurements. Using this probe method in dynamic measurements we explored electronic and magnetic dynamics in this alloy.
KW  - magnetizationdynamic
KW  - XMCD
KW  - Heusler-alloy
KW  - Magnetisierungsdynamik
KW  - XMCD
KW  - Heusler-Legierung
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-427860
ER  - 
TY  - THES
A1  - Maraun, Douglas
T1  - What can we learn from climate data? : Methods for fluctuation, time/scale and phase analysis
T1  - Was können wir aus Klimadaten lernen? : Methoden zur Fluktuations-, Zeit/Skalen- und Phasenanalyse
N2  - Since Galileo Galilei invented the first thermometer, researchers have tried to understand the complex dynamics of ocean and atmosphere by means of scientific methods. They observe nature and formulate theories about the climate system. Since some decades powerful computers are capable to simulate the past and future evolution of climate. Time series analysis tries to link the observed data to the computer models: Using statistical methods, one estimates characteristic properties of the underlying climatological processes that in turn can enter the models. The quality of an estimation is evaluated by means of error bars and significance testing. On the one hand, such a test should be capable to detect interesting features, i.e. be sensitive. On the other hand, it should be robust and sort out false positive results, i.e. be specific.  This thesis mainly aims to contribute to methodological questions of time series analysis with a focus on sensitivity and specificity and to apply the investigated methods to recent climatological problems.  First, the inference of long-range correlations by means of Detrended Fluctuation Analysis (DFA) is studied. It is argued that power-law scaling of the fluctuation function and thus long-memory may not be assumed a priori but have to be established. This requires to investigate the local slopes of the fluctuation function. The variability characteristic for stochastic processes is accounted for by calculating empirical confidence regions. The comparison of a long-memory with a short-memory model shows that the inference of long-range correlations from a finite amount of data by means of DFA is not specific. When aiming to infer short memory by means of DFA, a local slope larger than $\alpha=0.5$ for large scales does not necessarily imply long-memory. Also, a finite scaling of the autocorrelation function is shifted to larger scales in the fluctuation function. It turns out that long-range correlations cannot be concluded unambiguously from the DFA results for the Prague temperature data set.  In the second part of the thesis, an equivalence class of nonstationary Gaussian stochastic processes is defined in the wavelet domain. These processes are characterized by means of wavelet multipliers and exhibit well defined time dependent spectral properties; they allow one to generate realizations of any nonstationary Gaussian process. The dependency of the realizations on the wavelets used for the generation is studied, bias and variance of the wavelet sample spectrum are calculated. To overcome the difficulties of multiple testing, an areawise significance test is developed and compared to the conventional pointwise test in terms of sensitivity and specificity. Applications to Climatological and Hydrological questions are presented. The thesis at hand mainly aims to contribute to methodological questions of time series analysis and to apply the investigated methods to recent climatological problems.  In the last part, the coupling between El Nino/Southern Oscillation (ENSO) and the Indian Monsoon on inter-annual time scales is studied by means of Hilbert transformation and a curvature defined phase. This method allows one to investigate the relation of two oscillating systems with respect to their phases, independently of their amplitudes. The performance of the technique is evaluated using a toy model. From the data, distinct epochs are identified, especially two intervals of phase coherence, 1886-1908 and 1964-1980, confirming earlier findings from a new point of view. A significance test of high specificity corroborates these results. Also so far unknown periods of coupling invisible to linear methods are detected. These findings suggest that the decreasing correlation during the last decades might be partly inherent to the ENSO/Monsoon system. Finally, a possible interpretation of how volcanic radiative forcing could cause the coupling is outlined.
N2  - Seit der Erfindung des Thermometers durch Galileo Galilei versuchen Forscher mit naturwissenschaftlichen Methoden die komplexen Zusammenhänge in der Atmosphäre und den Ozeanen zu entschlüsseln. Sie beobachten die Natur und stellen Theorien über das Klimasystem auf. Seit wenigen Jahrzehnten werden sie dabei von immer leistungsfähigeren Computern unterstützt, die das Klima der Erdgeschichte und der nahen Zukunft simulieren.  Die Verbindung aus den Beobachtungen und den Modellen versucht die Zeitreihen­analyse herzustellen: Aus den Daten werden mit statistischen Methoden charak­teristische Eigenschaften der zugrundeliegenden klimatologischen Prozesse geschätzt, die dann in die Modelle einfliessen können. Die Bewertung solch einer Schätzung, die stets Messfehlern und Vereinfachungen des Modells unterworfen ist, erfolgt statistisch entweder mittels Konfidenzintervallen oder Signifikanztests. Solche Tests sollen auf der einen Seite charakteristische Eigenschaften in den Daten erkennen können, d.h. sie sollen sensitiv sein. Auf der anderen Seite sollen sie jedoch auch keine Eigenschaften vortäuschen, d.h. sie sollen spezifisch sein. Für die vertrauenswürdige Untermauerung einer Hypothese ist also ein spezifischer Test erforderlich.  Die vorliegende Arbeit untersucht verschiedene Methoden der Zeitreihenanalyse, erweitert sie gegebenenfalls und wendet sie auf typische klimatologische Frage­stellungen an. Besonderes Augenmerk wird dabei auf die Spezifizität der jeweiligen Methode gelegt; die Grenzen möglicher Folgerungen mittels Datenanalyse werden diskutiert. Im ersten Teil der Arbeit wird studiert, wie und ob sich mithilfe der sogenannten trendbereinigenden Fluktuationsanalyse aus Temperaturzeitreihen ein sogenanntes langes Gedächtnis der zugrundeliegenden Prozesse herleiten lässt. Solch ein Gedächtnis bedeutet, dass der Prozess seine Vergangenheit nie vergisst, mit fundamentalen Auswirkungen auf die gesamte statistische Beurteilung des Klimasystems. Diese Arbeit konnte jedoch zeigen, dass die Analysemethode vollkommen unspezifisch ist und die Hypothese “Langes Gedächtnis” gar nicht abgelehnt werden kann.  Im zweiten Teil werden zunächst Mängel einer sehr populären Analysemethode, der sogenannten kontinuierlichen Waveletspetralanalyse diskutiert. Diese Methode schätzt die Variabilität eines Prozesses auf verschiedenen Schwingungsperioden zu bestimm­ten Zeiten. Ein wichtiger Nachteil der bisherigen Methodik sind auch hier unspezi­fische Signifikanztests. Ausgehend von der Diskussion wird eine Theorie der Wavelet­spektralanalyse entwickelt, die ein breites Feld an neuen Anwendungen öffnet. Darauf basierend werden spezifische Signifikanztests konstruiert. Im letzten Teil der Arbeit wird der Einfluss des El Niño/Southern Oscillation Phäno­mens auf den Indischen Sommermonsun analysiert. Es wird untersucht, ob und wann die Oszillationen beider Phänomene synchron ablaufen. Dazu wird eine etablierte Methode für die speziellen Bedürfnisse der Analyse von typischerweise sehr unregel­mäßigen Klimadaten erweitert. Mittels eines spezifischen Signifikanztests konnten bisherige Ergebnisse mit erhöhter Genauigkeit bestätigt werden. Zusätzlich konnte diese Methode jedoch auch neue Kopplungsintervalle feststellen, die die Hypothese entkräften konnten, dass ein neuerliches Verschwinden der Kopplung ein beisspielloser Vorgang sei. Schliesslich wird eine Hypothese vorgestellt, wie vulkanische Aerosole die Kopplung beeinflussen könnten.
KW  - Spektralanalyse <Stochastik>
KW  - Monsun
KW  - Klimatologie
KW  - Zeitreihenanalyse
KW  - Wavelet-Analyse
KW  - El-Niño-Phänomen
KW  - Kopplungs-Analyse
KW  - Kohärenz-Analyse
KW  - Phasen-Analyse
KW  - Signifikanztests
KW  - Continuous Wavelet Spectral Analysis
KW  - Wavelet Coherence
KW  - Phase-Analysis
KW  - Significance Testing
KW  - Climatology
Y1  - 2006
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-9047
ER  -