TY  - THES
A1  - Topaj, Dmitri
T1  - Synchronization transitions in complex systems
N2  - Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung generischer Synchronisierungsphänomene in interagierenden komplexen Systemen. Diese Phänomene werden u.a. in gekoppelten deterministischen chaotischen Systemen beobachtet. Bei sehr schwachen Interaktionen zwischen individuellen Systemen kann ein Übergang zum schwach kohärenten Verhalten der Systeme stattfinden. In gekoppelten zeitkontinuierlichen chaotischen Systemen manifestiert sich dieser Übergang durch den Effekt der Phasensynchronisierung, in gekoppelten chaotischen zeitdiskreten Systemen durch den Effekt eines nichtverschwindenden makroskopischen Feldes. Der Übergang zur Kohärenz in einer Kette lokal gekoppelter Oszillatoren, beschrieben durch Phasengleichungen, wird im Bezug auf die Symmetrien des Systems untersucht. Es wird gezeigt, daß die durch die Symmetrien verursachte Reversibilität des Systems nichttriviale topologische Eigenschaften der Trajektorien bedingt, so daß das als dissipativ konstruierte System in einem ganzen Parameterbereich quasi-Hamiltonische Züge aufweist, d.h. das Phasenvolumen ist im Schnitt erhalten, und die Lyapunov-Exponenten sind paarweise symmetrisch. Der Übergang zur Kohärenz in einem Ensemble global gekoppelter chaotischer Abbildungen wird durch den Verlust der Stabilität des entkoppelten Zustandes beschrieben. Die entwickelte Methode besteht darin, die Selbstkonsistenz des makroskopischen Feldes aufzuheben, und das Ensemble in Analogie mit einem Verstärkerschaltkreis mit Rückkopplung durch eine komplexe lineare Übertragungssfunktion zu charakterisieren. Diese Theorie wird anschließend für einige theoretisch interessanten Fälle verallgemeinert.
N2  - Subject of this work is the investigation of generic synchronization phenomena in interacting complex systems. These phenomena are observed, among all, in coupled deterministic chaotic systems. At very weak interactions between individual systems a transition to a weakly coherent behavior of the systems can take place. In coupled continuous time chaotic systems this transition manifests itself with the effect of phase synchronization, in coupled chaotic discrete time systems with the effect of non-vanishing macroscopic mean field. Transition to coherence in a chain of locally coupled oscillators described with phase equations is investigated with respect to the symmetries in the system. It is shown that the reversibility of the system caused by these symmetries results to non-trivial topological properties of trajectories so that the system constructed to be dissipative reveals in a whole parameter range quasi-Hamiltonian features, i.e. the phase volume is conserved on average and Lyapunov exponents come in symmetric pairs. Transition to coherence in an ensemble of globally coupled chaotic maps is described with the loss of stability of the disordered state. The method is to break the self-consistensy of the macroscopic field and to characterize the ensemble in analogy to an amplifier circuit with feedback with a complex linear transfer function. This theory is then generalized for several cases of theoretic interest.
KW  - Synchronisierung
KW  - komplex
KW  - System
KW  - komplexe Systeme
KW  - gekoppelt
KW  - chaotisch
KW  - Chaos
KW  - Interaktion
KW  - Übergang
KW  - P hasensynchronisierung
KW  - Phase
KW  - Feld
KW  - Effekt
KW  - synchronization
KW  - complex
KW  - system
KW  - complex systems
KW  - coupled
KW  - chaotic
KW  - chaos
KW  - interaction
KW  - transition
KW  - phase
KW  - phase synchronization
KW  - field
KW  - meanfield
KW  - o
Y1  - 2001
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0000367
ER  - 
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
ER  - 
TY  - THES
A1  - Rivera Hernández, Sergio
T1  - Tensorial spacetime geometries carrying predictive, interpretable and quantizable matter dynamics
T1  - Tensorielle Raumzeit-Geometrien, welche prädiktive, interpretierbare und quantisierbare Materiefeld-Dynamiken tragen können
N2  - Which tensor fields G on a smooth manifold M can serve as a spacetime structure? In the first part of this thesis, it is found that only a severely restricted class of tensor fields can provide classical spacetime geometries, namely those that can carry predictive, interpretable and quantizable matter dynamics. The obvious dependence of this characterization of admissible tensorial spacetime geometries on specific matter is not a weakness, but rather presents an insight: it was Maxwell theory that justified Einstein to promote Lorentzian manifolds to the status of a spacetime geometry. Any matter that does not mimick the structure of Maxwell theory, will force us to choose another geometry on which the matter dynamics of interest are predictive, interpretable and quantizable. These three physical conditions on matter impose three corresponding algebraic conditions on the totally symmetric contravariant coefficient tensor field P that determines the principal symbol of the matter field equations in terms of the geometric tensor G: the tensor field P must be hyperbolic, time-orientable and energy-distinguishing. Remarkably, these physically necessary conditions on the geometry are mathematically already sufficient to realize all kinematical constructions familiar from Lorentzian geometry, for precisely the same structural reasons. This we were able to show employing a subtle interplay of convex analysis, the theory of partial differential equations and real algebraic geometry. In the second part of this thesis, we then explore general properties of any hyperbolic, time-orientable and energy-distinguishing tensorial geometry. Physically most important are the construction of freely falling non-rotating laboratories, the appearance of admissible modified dispersion relations to particular observers, and the identification of a mechanism that explains why massive particles that are faster than some massless particles can radiate off energy until they are slower than all massless particles in any hyperbolic, time-orientable and energy-distinguishing geometry. In the third part of the thesis, we explore how tensorial spacetime geometries fare when one wants to quantize particles and fields on them. This study is motivated, in part, in order to provide the tools to calculate the rate at which superluminal particles radiate off energy to become infraluminal, as explained above. Remarkably, it is again the three geometric conditions of hyperbolicity, time-orientability and energy-distinguishability that allow the quantization of general linear electrodynamics on an area metric spacetime and the quantization of massive point particles obeying any admissible dispersion relation. We explore the issue of field equations of all possible derivative order in rather systematic fashion, and prove a practically most useful theorem that determines Dirac algebras allowing the reduction of derivative orders. The final part of the thesis presents the sketch of a truly remarkable result that was obtained building on the work of the present thesis. Particularly based on the subtle duality maps between momenta and velocities in general tensorial spacetimes, it could be shown that gravitational dynamics for hyperbolic, time-orientable and energy distinguishable geometries need not be postulated, but the formidable physical problem of their construction can be reduced to a mere mathematical task: the solution of a system of homogeneous linear partial differential equations. This far-reaching physical result on modified gravity theories is a direct, but difficult to derive, outcome of the findings in the present thesis. Throughout the thesis, the abstract theory is illustrated through instructive examples.
N2  - Welche Tensorfelder G auf einer glatten Mannigfaltigkeit M können eine Raumzeit-Geometrie beschreiben? Im ersten Teil dieser Dissertation wird es gezeigt, dass nur stark eingeschränkte Klassen von Tensorfeldern eine Raumzeit-Geometrie darstellen können, nämlich Tensorfelder, die eine prädiktive, interpretierbare und quantisierbare Dynamik für Materiefelder ermöglichen. Die offensichtliche Abhängigkeit dieser Charakterisierung erlaubter tensorieller Raumzeiten von einer spezifischen Materiefelder-Dynamik ist keine Schwäche der Theorie, sondern ist letztlich genau das Prinzip, das die üblicherweise betrachteten Lorentzschen Mannigfaltigkeiten auszeichnet: diese stellen die metrische Geometrie dar, welche die Maxwellsche Elektrodynamik prädiktiv, interpretierbar und quantisierbar macht. Materiefeld-Dynamiken, welche die kausale Struktur von Maxwell-Elektrodynamik nicht respektieren, zwingen uns, eine andere Geometrie auszuwählen, auf der die Materiefelder-Dynamik aber immer noch prädiktiv, interpretierbar und quantisierbar sein muss. Diesen drei Voraussetzungen an die Materie entsprechen drei algebraische Voraussetzungen an das total symmetrische kontravariante Tensorfeld P, welches das Prinzipalpolynom der Materiefeldgleichungen (ausgedrückt durch das grundlegende Tensorfeld G) bestimmt: das Tensorfeld P muss hyperbolisch, zeitorientierbar und energie-differenzierend sein. Diese drei notwendigen Bedingungen an die Geometrie genügen, um alle aus der Lorentzschen Geometrie bekannten kinematischen Konstruktionen zu realisieren. Dies zeigen wir im ersten Teil der vorliegenden Arbeit unter Verwendung eines teilweise recht subtilen Wechselspiels zwischen konvexer Analysis, der Theorie partieller Differentialgleichungen und reeller algebraischer Geometrie. Im zweiten Teil dieser Dissertation erforschen wir allgemeine Eigenschaften aller solcher hyperbolischen, zeit-orientierbaren und energie-differenzierenden Geometrien. Physikalisch wichtig sind der Aufbau von frei fallenden und nicht rotierenden Laboratorien, das Auftreten modifizierter Energie-Impuls-Beziehungen und die Identifizierung eines Mechanismus, der erklärt, warum massive Teilchen, die sich schneller als einige masselosse Teilchen bewegen, Energie abstrahlen können, aber nur bis sie sich langsamer als alle masselossen Teilchen bewegen. Im dritten Teil der Dissertation ergründen wir die Quantisierung von Teilchen und Feldern auf tensoriellen Raumzeit-Geometrien, die die obigen physikalischen Bedingungen erfüllen. Eine wichtige Motivation dieser Untersuchung ist es, Techniken zur Berechnung der Zerfallsrate von Teilchen zu berechnen, die sich schneller als langsame masselose Teilchen bewegen. Wir finden, dass es wiederum die drei zuvor im klassischen Kontext identifizierten Voraussetzungen (der Hyperbolizität, Zeit-Orientierbarkeit und Energie-Differenzierbarkeit) sind, welche die Quantisierung allgemeiner linearer Elektrodynamik auf einer flächenmetrischen Raumzeit und die Quantizierung massiver Teilchen, die eine physikalische Energie-Impuls-Beziehung respektieren, erlauben. Wir erkunden auch systematisch, wie man Feldgleichungen aller Ableitungsordnungen generieren kann und beweisen einen Satz, der verallgemeinerte Dirac-Algebren bestimmt und die damit Reduzierung des Ableitungsgrades einer physikalischen Materiefeldgleichung ermöglicht. Der letzte Teil der vorliegenden Schrift skizziert ein bemerkenswertes Ergebnis, das mit den in dieser Dissertation dargestellten Techniken erzielt wurde. Insbesondere aufgrund der hier identifizierten dualen Abbildungen zwischen Teilchenimpulsen und -geschwindigkeiten auf allgemeinen tensoriellen Raumzeiten war es möglich zu zeigen, dass man die Gravitationsdynamik für hyperbolische, zeit-orientierbare und energie-differenzierende Geometrien nicht postulieren muss, sondern dass sich das Problem ihrer Konstruktion auf eine rein mathematische Aufgabe reduziert: die Lösung eines homogenen linearen Differentialgleichungssystems. Dieses weitreichende Ergebnis über modifizierte Gravitationstheorien ist eine direkte (aber schwer herzuleitende) Folgerung der Forschungsergebnisse dieser Dissertation. Die abstrakte Theorie dieser Doktorarbeit wird durch mehrere instruktive Beispiele illustriert.
KW  - refined spacetime geometries
KW  - modified dispersion relations
KW  - modified gravitational dynamics
KW  - Finsler geometry
KW  - quantization of field theories
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-61869
ER  - 
TY  - THES
A1  - Pick, Leonie Johanna Lisa
T1  - The centennial evolution of geomagnetic activity and its driving mechanisms
N2  - This cumulative thesis is concerned with the evolution of geomagnetic activity since the beginning of the 20th century, that is, the time-dependent response of the geomagnetic field to solar forcing. The focus lies on the description of the magnetospheric response field at ground level, which is particularly sensitive to the ring current system, and an interpretation of its variability in terms of the solar wind driving. Thereby, this work contributes to a comprehensive understanding of long-term solar-terrestrial interactions.

The common basis of the presented publications is formed by a reanalysis of vector magnetic field measurements from geomagnetic observatories located at low and middle geomagnetic latitudes. In the first two studies, new ring current targeting geomagnetic activity indices are derived, the Annual and Hourly Magnetospheric Currents indices (A/HMC). Compared to existing indices (e.g., the Dst index), they do not only extend the covered period by at least three solar cycles but also constitute a qualitative improvement concerning the absolute index level and the ~11-year solar cycle variability. The analysis of A/HMC shows that (a) the annual geomagnetic activity experiences an interval-dependent trend with an overall linear decline during 1900–2010 of ~5 % (b) the average trend-free activity level amounts to ~28 nT (c) the solar cycle related variability shows amplitudes of ~15–45 nT (d) the activity level for geomagnetically quiet conditions (Kp<2) lies slightly below 20 nT. The plausibility of the last three points is ensured by comparison to independent estimations either based on magnetic field measurements from LEO satellite missions (since the 1990s) or the modeling of geomagnetic activity from solar wind input (since the 1960s). An independent validation of the longterm trend is problematic mainly because the sensitivity of the locally measured geomagnetic activity depends on geomagnetic latitude. Consequently, A/HMC is neither directly comparable to global geomagnetic activity indices (e.g., the aa index) nor to the partly reconstructed open solar magnetic flux, which requires a homogeneous response of the ground-based measurements to the interplanetary magnetic field and the solar wind speed.

The last study combines a consistent, HMC-based identification of geomagnetic storms from 1930–2015 with an analysis of the corresponding spatial (magnetic local time-dependent) disturbance patterns. Amongst others, the disturbances at dawn and dusk, particularly their evolution during the storm recovery phases, are shown to be indicative of the solar wind driving structure (Interplanetary Coronal Mass Ejections vs. Stream or Co-rotating Interaction Regions), which enables a backward-prediction of the storm driver classes. The results indicate that ICME-driven geomagnetic storms have decreased since 1930 which is consistent with the concurrent decrease of HMC. Out of the collection of compiled follow-up studies the inclusion of measurements from high-latitude geomagnetic observatories into the third study’s framework seems most promising at this point.
N2  - Diese kumulative Arbeit behandelt die Entwicklung der geomagnetischen Aktivität seit Beginn des 20. Jahrhunderts, also die zeitabhängige Antwort des Erdmagnetfeldes auf das Einwirken der Sonne. Der Fokus liegt auf einer Beschreibung des in der Magnetosphäre begründeten, magnetischen Störfeldes auf der Erdoberfläche. Die Variabilität dieses Störfeldes reagiert besonders sensibel auf das Ringstromsystem und wird hinsichtlich des Sonnenantriebs interpretiert. Damit trägt diese Arbeit dazu bei, die langfristige solar-terrestrische Interaktion umfassend zu verstehen.

Die gemeinsame Basis der vorgestellen Publikationen ist eine Reanalyse der vektoriellen Magnetfeldmessungen von geomagnetischen Observatorien, die auf niedrigen und mittleren geomagnetischen Breitengraden liegen. In den beiden ersten Studien werden neue, auf den Ringstrom spezialisierte, geomagntische Aktivitätsindizes hergeleitet, die „Annual/Hourly Magnetopsheric Currents“ (A/HMC) Indizes. Verglichen mit existierenden Indizes (z.B. dem Dst Index) verlängern sie nicht nur die abgedeckte Zeitspanne, sondern sie stellen auch eine qualitative Verbesserung bezüglich des absoluten Niveaus und der mit dem ca. 11-jährigen Sonnenzyklus einhergehenden Variabilität dar. Die Auswertung des A/HMC zeigt, dass (a) die jährliche geomagnetiche Aktivität einem intervallabhängigen Trend unterliegt mit einer linearen Abnahme von ca. 5 % im Zeitraum 1900-2010 (b) das durchschnittliche, Trend-befreite Aktivitätsniveau bei ca. 28 Nanotesla (nT) liegt (c) die mit dem Sonnenzyklus zusammenhängende Variabilität eine Amplitude zwischen 15 und 45 nT aufweist (d) das Aktivitätsniveau für geomagnetisch ruhige Konditionen (Kp < 2 nT) bei knapp unter 20 nT liegt. Die Plausibilität der letztgenannten drei Punkte lässt sich über einen Vergleich mit unabhängigen Abschätzungen sicherstellen. Entweder zieht man hierzu Magnetfeldmessungen von „Low-Earth-Orbit“ Satellitenmissionen (seit den 1990er-Jahren), oder eine Modellierung der geomagnetischen Aktivität mittels der Parameter des Sonnenwindes (seit den 1960er-Jahren) heran. Eine unabhängige Validierung des langfristigen Trends ist jedoch problematisch, hauptsächlich, weil die Sensitivität der lokalen geomagnetischen Aktivität vom Breitengrad abhängt. Folglich ist A/HMC weder mit globalen, geomagnetischen Aktivitätindizes (z.B. mit dem aa Index), noch mit dem teils rekonstruierten, „offenen“ solaren Magnetfluss direkt vergleichbar.

Die dritte Studie kombiniert eine konsistente, HMC-basierte Identifikation geomagnetischer Stürme aus dem Zeitraum 1930-2015 mit einer Analyse der entsprechenden räumlichen Störungsmuster. Die Studie zeigt, dass insbesondere die Entwicklung der Magnetfeldstörungen zu Sonnenauf- und Sonnenuntergang während der Erholungsphase der Stürme statistisch unterschiedlich auf die Art des Sonnenwindantriebs (Koronale Massenauswürfe (KM) oder korotierende Wechselwirkungsregionen) reagieren. Dies ermöglicht eine Bestimmung der Antriebsklassen von historischen geomagnetischen Stürmen. Die Ergebnisse zeigen, dass KM-getriebene Stürme seit 1930 abgenommen haben, was mit der einhergehenden Verringerung von HMC zusammenpasst. Aus der Sammlung möglicher Folgestudien erscheint es zum jetzigen Zeitpunkt am vielversprechendsten, Observatoriumsmessungen aus hohen Breiten im Rahmen der dritten Studie einzubeziehen.
T2  - Die hundertjährige Entwicklung der geomagnetischen Aktivität und ihre Antriebsmechanismen
KW  - Geomagnetic activity
KW  - Geomagnetic index
KW  - Geomagnetic observatory
KW  - Space climate
KW  - Space weather
KW  - Geomagnetische Aktivität
KW  - Geomagnetischer Index
KW  - Geomagnetisches Observatorium
KW  - Weltraumklima
KW  - Weltraumwetter
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-472754
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  -