TY - JOUR A1 - Lepri, Stefano A1 - Pikovsky, Arkady T1 - Phase-locking dynamics of heterogeneous oscillator arrays JF - Chaos, solitons & fractals : applications in science and engineering ; an interdisciplinary journal of nonlinear science N2 - We consider an array of nearest-neighbor coupled nonlinear autonomous oscillators with quenched ran-dom frequencies and purely conservative coupling. We show that global phase-locked states emerge in finite lattices and study numerically their destruction. Upon change of model parameters, such states are found to become unstable with the generation of localized periodic and chaotic oscillations. For weak nonlinear frequency dispersion, metastability occur akin to the case of almost-conservative systems. We also compare the results with the phase-approximation in which the amplitude dynamics is adiabatically eliminated. KW - Ginzburg-Landau lattice KW - Disorder KW - Localized chaos KW - Reactive coupling Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1016/j.chaos.2021.111721 SN - 0960-0779 SN - 1873-2887 VL - 155 PB - Elsevier CY - Oxford ER - TY - INPR A1 - Guasti, Giovanna A1 - Engbert, Ralf A1 - Krampe, Ralf T. A1 - Kurths, Jürgen T1 - Phase transitions, complexity, and stationarity in the production of polyrhythms N2 - Contents: 1 Introduction 2 Experiment 3 Data 4 Symbolic dynamics 4.1 Symbolic dynamics as a tool for data analysis 4.2 2-symbols coding 4.3 3-symbols coding 5 Measures of complexity 5.1 Word statistics 5.2 Shannon entropy 6 Testing for stationarity 6.1 Stationarity 6.2 Time series of cycle durations 6.3 Chi-square test 7 Control parameters in the production of rhythms 8 Analysis of relative phases 9 Discussion 10 Outlook T3 - NLD Preprints - 57 Y1 - 2000 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-14933 ER - TY - JOUR A1 - Vilk, Ohad A1 - Campos, Daniel A1 - Méndez, Vicenç A1 - Lourie, Emmanuel A1 - Nathan, Ran A1 - Assaf, Michael T1 - Phase transition in a non-Markovian animal exploration model with preferential returns JF - Physical review letters N2 - We study a non-Markovian and nonstationary model of animal mobility incorporating both exploration and memory in the form of preferential returns. Exact results for the probability of visiting a given number of sites are derived and a practical WKB approximation to treat the nonstationary problem is developed. A mean-field version of this model, first suggested by Song et al., [Modelling the scaling properties of human mobility, Nat. Phys. 6, 818 (2010)] was shown to well describe human movement data. We show that our generalized model adequately describes empirical movement data of Egyptian fruit bats (Rousettus aegyptiacus) when accounting for interindividual variation in the population. We also study the probability of visiting any site a given number of times and derive a mean-field equation. Our analysis yields a remarkable phase transition occurring at preferential returns which scale linearly with past visits. Following empirical evidence, we suggest that this phase transition reflects a trade-off between extensive and intensive foraging modes. Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.148301 SN - 0031-9007 SN - 1079-7114 VL - 128 IS - 14 PB - American Physical Society CY - College Park ER - TY - THES A1 - Rosenblum, Michael T1 - Phase synchronization of chaotic systems : from theory to experimental applications N2 - In einem klassischen Kontext bedeutet Synchronisierung die Anpassung der Rhythmen von selbst-erregten periodischen Oszillatoren aufgrund ihrer schwachen Wechselwirkung. Der Begriff der Synchronisierung geht auf den berühmten niederläandischen Wissenschaftler Christiaan Huygens im 17. Jahrhundert zurück, der über seine Beobachtungen mit Pendeluhren berichtete. Wenn zwei solche Uhren auf der selben Unterlage plaziert wurden, schwangen ihre Pendel in perfekter Übereinstimmung. Mathematisch bedeutet das, daß infolge der Kopplung, die Uhren mit gleichen Frequenzen und engverwandten Phasen zu oszillieren begannen. Als wahrscheinlich ältester beobachteter nichtlinearer Effekt wurde die Synchronisierung erst nach den Arbeiten von E. V. Appleton und B. Van der Pol gegen 1920 verstanden, die die Synchronisierung in Triodengeneratoren systematisch untersucht haben. Seitdem wurde die Theorie gut entwickelt, und hat viele Anwendungen gefunden. Heutzutage weiss man, dass bestimmte, sogar ziemlich einfache, Systeme, ein chaotisches Verhalten ausüben können. Dies bedeutet, dass ihre Rhythmen unregelmäßig sind und nicht durch nur eine einzige Frequenz charakterisiert werden können. Wie in der Habilitationsarbeit gezeigt wurde, kann man jedoch den Begriff der Phase und damit auch der Synchronisierung auf chaotische Systeme ausweiten. Wegen ihrer sehr schwachen Wechselwirkung treten Beziehungen zwischen den Phasen und den gemittelten Frequenzen auf und führen damit zur Übereinstimmung der immer noch unregelmäßigen Rhythmen. Dieser Effekt, sogenannter Phasensynchronisierung, konnte später in Laborexperimenten anderer wissenschaftlicher Gruppen bestätigt werden. Das Verständnis der Synchronisierung unregelmäßiger Oszillatoren erlaubte es uns, wichtige Probleme der Datenanalyse zu untersuchen. Ein Hauptbeispiel ist das Problem der Identifikation schwacher Wechselwirkungen zwischen Systemen, die nur eine passive Messung erlauben. Diese Situation trifft häufig in lebenden Systemen auf, wo Synchronisierungsphänomene auf jedem Niveau erscheinen - auf der Ebene von Zellen bis hin zu makroskopischen physiologischen Systemen; in normalen Zuständen und auch in Zuständen ernster Pathologie. Mit unseren Methoden konnten wir eine Anpassung in den Rhythmen von Herz-Kreislauf und Atmungssystem in Menschen feststellen, wobei der Grad ihrer Interaktion mit der Reifung zunimmt. Weiterhin haben wir unsere Algorithmen benutzt, um die Gehirnaktivität von an Parkinson Erkrankten zu analysieren. Die Ergebnisse dieser Kollaboration mit Neurowissenschaftlern zeigen, dass sich verschiedene Gehirnbereiche genau vor Beginn des pathologischen Zitterns synchronisieren. Außerdem gelang es uns, die für das Zittern verantwortliche Gehirnregion zu lokalisieren. N2 - In a classical context, synchronization means adjustment of rhythms of self-sustained periodic oscillators due to their weak interaction. The history of synchronization goes back to the 17th century when the famous Dutch scientist Christiaan Huygens reported on his observation of synchronization of pendulum clocks: when two such clocks were put on a common support, their pendula moved in a perfect agreement. In rigorous terms, it means that due to coupling the clocks started to oscillate with identical frequencies and tightly related phases. Being, probably, the oldest scientifically studied nonlinear effect, synchronization was understood only in 1920-ies when E. V. Appleton and B. Van der Pol systematically - theoretically and experimentally - studied synchronization of triode generators. Since that the theory was well developed and found many applications. Nowadays it is well-known that certain systems, even rather simple ones, can exhibit chaotic behaviour. It means that their rhythms are irregular, and cannot be characterized only by one frequency. However, as is shown in the Habilitation work, one can extend the notion of phase for systems of this class as well and observe their synchronization, i.e., agreement of their (still irregular!) rhythms: due to very weak interaction there appear relations between the phases and average frequencies. This effect, called phase synchronization, was later confirmed in laboratory experiments of other scientific groups. Understanding of synchronization of irregular oscillators allowed us to address important problem of data analysis: how to reveal weak interaction between the systems if we cannot influence them, but can only passively observe, measuring some signals. This situation is very often encountered in biology, where synchronization phenomena appear on every level - from cells to macroscopic physiological systems; in normal states as well as in severe pathologies. With our methods we found that cardiovascular and respiratory systems in humans can adjust their rhythms; the strength of their interaction increases with maturation. Next, we used our algorithms to analyse brain activity of Parkinsonian patients. The results of this collaborative work with neuroscientists show that different brain areas synchronize just before the onset of pathological tremor. Morevoever, we succeeded in localization of brain areas responsible for tremor generation. KW - Chaotische Dynamik KW - Phase KW - Synchronization KW - Datenanalyse KW - Chaotic dynamics KW - phase KW - synchronization KW - data analysis Y1 - 2003 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0000682 ER - TY - GEN A1 - Allefeld, Carsten A1 - Frisch, Stefan T1 - Phase synchronization analysis of event-related potentials in language processing N2 - Phase synchronization analysis, including our recently introduced multivariate approach, is applied to event-related EEG data from an experiment on language processing, following a classic psycholinguistic paradigm. For the two types of experimental manipulation distinct effects in overall synchronization are found; for one of them they can also be localized. The synchronization effects occur earlier than those found by the conventional analysis method, indicating that the new approach provides additional information on the underlying neuronal process. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - paper 073 Y1 - 2004 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-20113 ER - TY - THES A1 - Allefeld, Carsten T1 - Phase synchronization analysis of event-related brain potentials in language processing N2 - Das Forschungsthema Synchronisation bildet einen Schnittpunkt von Nichtlinearer Dynamik und Neurowissenschaft. So hat zum einen neurobiologische Forschung gezeigt, daß die Synchronisation neuronaler Aktivität einen wesentlichen Aspekt der Funktionsweise des Gehirns darstellt. Zum anderen haben Fortschritte in der physikalischen Theorie zur Entdeckung des Phänomens der Phasensynchronisation geführt. Eine dadurch motivierte Datenanalysemethode, die Phasensynchronisations-Analyse, ist bereits mit Erfolg auf empirische Daten angewandt worden. Die vorliegende Dissertation knüpft an diese konvergierenden Forschungslinien an. Ihren Gegenstand bilden methodische Beiträge zur Fortentwicklung der Phasensynchronisations-Analyse, sowie deren Anwendung auf ereigniskorrelierte Potentiale, eine besonders in den Kognitionswissenschaften wichtige Form von EEG-Daten. Die methodischen Beiträge dieser Arbeit bestehen zum ersten in einer Reihe spezialisierter statistischer Tests auf einen Unterschied der Synchronisationsstärke in zwei verschiedenen Zuständen eines Systems zweier Oszillatoren. Zweitens wird im Hinblick auf den viel-kanaligen Charakter von EEG-Daten ein Ansatz zur multivariaten Phasensynchronisations-Analyse vorgestellt. Zur empirischen Untersuchung neuronaler Synchronisation wurde ein klassisches Experiment zur Sprachverarbeitung repliziert, in dem der Effekt einer semantischen Verletzung im Satzkontext mit demjenigen der Manipulation physischer Reizeigenschaften (Schriftfarbe) verglichen wird. Hier zeigt die Phasensynchronisations-Analyse eine Verringerung der globalen Synchronisationsstärke für die semantische Verletzung sowie eine Verstärkung für die physische Manipulation. Im zweiten Fall läßt sich der global beobachtete Synchronisationseffekt mittels der multivariaten Analyse auf die Interaktion zweier symmetrisch gelegener Gehirnareale zurückführen. Die vorgelegten Befunde zeigen, daß die physikalisch motivierte Methode der Phasensynchronisations-Analyse einen wesentlichen Beitrag zur Untersuchung ereigniskorrelierter Potentiale in den Kognitionswissenschaften zu leisten vermag. N2 - The topic of synchronization forms a link between nonlinear dynamics and neuroscience. On the one hand, neurobiological research has shown that the synchronization of neuronal activity is an essential aspect of the working principle of the brain. On the other hand, recent advances in the physical theory have led to the discovery of the phenomenon of phase synchronization. A method of data analysis that is motivated by this finding - phase synchronization analysis - has already been successfully applied to empirical data. The present doctoral thesis ties up to these converging lines of research. Its subject are methodical contributions to the further development of phase synchronization analysis, as well as its application to event-related potentials, a form of EEG data that is especially important in the cognitive sciences. The methodical contributions of this work consist firstly in a number of specialized statistical tests for a difference in the synchronization strength in two different states of a system of two oscillators. Secondly, in regard of the many-channel character of EEG data an approach to multivariate phase synchronization analysis is presented. For the empirical investigation of neuronal synchronization a classic experiment on language processing was replicated, comparing the effect of a semantic violation in a sentence context with that of the manipulation of physical stimulus properties (font color). Here phase synchronization analysis detects a decrease of global synchronization for the semantic violation as well as an increase for the physical manipulation. In the latter case, by means of the multivariate analysis the global synchronization effect can be traced back to an interaction of symmetrically located brain areas.
The findings presented show that the method of phase synchronization analysis motivated by physics is able to provide a relevant contribution to the investigation of event-related potentials in the cognitive sciences. T2 - Phase synchronization analysis of event-related brain potentials in language processing KW - Synchronisation KW - EEG KW - Sprachverarbeitung KW - Multivariate Analyse KW - synchronization KW - EEG KW - language processing KW - multivariate analysis Y1 - 2004 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0001873 ER - TY - THES A1 - Dietrich, Jan Philipp T1 - Phase Space Reconstruction using the frequency domain : a generalization of actual methods N2 - Phase Space Reconstruction is a method that allows to reconstruct the phase space of a system using only an one dimensional time series as input. It can be used for calculating Lyapunov-exponents and detecting chaos. It helps to understand complex dynamics and their behavior. And it can reproduce datasets which were not measured. There are many different methods which produce correct reconstructions such as time-delay, Hilbert-transformation, derivation and integration. The most used one is time-delay but all methods have special properties which are useful in different situations. Hence, every reconstruction method has some situations where it is the best choice. Looking at all these different methods the questions are: Why can all these different looking methods be used for the same purpose? Is there any connection between all these functions? The answer is found in the frequency domain : Performing a Fourier transformation all these methods getting a similar shape: Every presented reconstruction method can be described as a multiplication in the frequency domain with a frequency-depending reconstruction function. This structure is also known as a filter. From this point of view every reconstructed dimension can be seen as a filtered version of the measured time series. It contains the original data but applies just a new focus: Some parts are amplified and other parts are reduced. Furthermore I show, that not every function can be used for reconstruction. In the thesis three characteristics are identified, which are mandatory for the reconstruction function. Under consideration of these restrictions one gets a whole bunch of new reconstruction functions. So it is possible to reduce noise within the reconstruction process itself or to use some advantages of already known reconstructions methods while suppressing unwanted characteristics of it. N2 - Attraktorrekonstruktion („Phase Space Reconstruction“) ist eine Technik, die es ermöglicht, aus einer einzelnen Zeitreihe den vollständigen Phasenraum eines Systems zu rekonstruieren und somit Rückschlüsse auf topologische Eigenschaften dieses dynamischen Systems zu ziehen. Sie findet Verwendung in der Bestimmung von Lyapunov-Exponenten und zur Reproduktion von unbeobachteten Systemgrößen. Es gibt viele verschiedene Methoden zur Attraktorrekonstruktion wie z.B. die Time-Delay-Methode or Rekonstruktion durch Ableitung, Integration oder mithilfe einer Hilbert-Transformation. Zumeist wird der Time-Delay-Ansatz verwendet, es gibt jedoch auch diverse Problemstellungen, in welchen die alternativen Methoden bessere Ergebnisse liefern. Die Kernfragen, die beim Vergleich dieser Methoden entsteht, sind: Wie kommt es, dass alle Ansätze, trotz ihrer teilweise sehr unterschiedlichen Struktur, denselben Zweck erfüllen? Gibt es Übereinstimmungen zwischen all diesen Methoden? Die Antwort lässt sich im Frequenzraum finden: Nach einer Fourier-Transformation besitzen alle genannten Methoden plötzlich eine sehr ähnliche Struktur. Jede Methode transformiert sich im Frequenzraum zu einer einfachen Multiplikation des Eingangssignals mit einer frequenzabhängigen Rekonstruktionsfunktion. Diese Struktur ist in der Datenanalyse auch bekannt als Filter. Aus dieser Perspektive lässt sich jede Rekonstruktionsdimension als gefilterte Zeitreihe der ursprünglichen Zeitreihe interpretieren: Sie enthält den Originaldatensatz, allerdings mit einem verschobenen Fokus: Einige Eigenschaften der Originalzeitreihe werden unterdrückt, während andere Teile verstärkt wiedergegeben werden. Des weiteren zeige ich in der Diplomarbeit, dass nicht jede beliebige Funktion im Frequenzraum zur Rekonstruktion verwendet werden kann. Ich stelle drei Eigenschaften vor, welche jede Rekonstruktionsfunktion erfüllen muss. Unter Beachtung dieser Bedingungen ergeben sich nun diverse Möglichkeiten für neue Rekonstruktionsfunktionen. So ist es z.B. möglich gleichzeitig mit der Rekonstruktion das Ursprungssignal auch zu filtern, oder man kann bereits bestehende Rekonstruktionsfunktionen so abwandeln, dass unerwünschte Nebeneffekte der Rekonstruktion abgemildert oder gar ganz unterdrückt werden. KW - Attraktorrekonstruktion KW - Datenanalyse KW - Fouriertransformation KW - Komplexe Systeme KW - phase space reconstruction KW - data analysis KW - fourier transformation KW - complex systems Y1 - 2008 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-50738 ER - TY - GEN A1 - Henkel, Carsten A1 - Courtois, Jean-Yves A1 - Kaiser, Robin A1 - Westbrook, C. A1 - Aspect, Alain T1 - Phase shifts of atomic de Broglie waves at an evanescent wave mirror N2 - A detailed theoretical investigation of the reflection of an atomic de Broglie wave at an evanescent wave mirror is presented. The classical and the semiclassical descriptions of the reflection process are reviewed, and a full wave-mechanical approach based on the analytical soution of the corresponding Schrödinger equation is presented. The phase shift at reflection is calculated exactly and interpreted in terms of instantaneous reflection of the atom at an effective mirror. Besides the semiclassical regime of reflection describable by the WKB method, a pure quantum regime of reflection is identified in the limit where the incident de Broglie wavelength is large compared to the evanescent wave decay length. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - paper 103 Y1 - 1994 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-42289 ER - TY - THES A1 - Li, Yanhong T1 - Phase separation in giant vesicles T1 - Phasentrennung in Riesenvesikeln N2 - Giant vesicles may contain several spatial compartments formed by phase separation within their enclosed aqueous solution. This phenomenon might be related to molecular crowding, fractionation and protein sorting in cells. To elucidate this process we used two chemically dissimilar polymers, polyethylene glycol (PEG) and dextran, encapsulated in giant vesicles. The dynamics of the phase separation of this polymer solution enclosed in vesicles is studied by concentration quench, i.e. exposing the vesicles to hypertonic solutions. The excess membrane area, produced by dehydration, can either form tubular structures (also known as tethers) or be utilized to perform morphological changes of the vesicle, depending on the interfacial tension between the coexisting phases and those between the membrane and the two phases. Membrane tube formation is coupled to the phase separation process. Apparently, the energy released from the phase separation is utilized to overcome the energy barrier for tube formation. The tubes may be absorbed at the interface to form a 2-demensional structure. The membrane stored in the form of tubes can be retracted under small tension perturbation. Furthermore, a wetting transition, which has been reported only in a few experimental systems, was discovered in this system. By increasing the polymer concentration, the PEG-rich phase changed from complete wetting to partial wetting of the membrane. If sufficient excess membrane area is available in the vesicle where both phases wet the membrane, one of the phases will bud off from the vesicle body, which leads to the separation of the two phases. This wetting-induced budding is governed by the surface energy and modulated by the membrane tension. This was demonstrated by micropipette aspiration experiments on vesicles encapsulating two phases. The budding of one phase can significantly decrease the surface energy by decreasing the contact area between the coexisting phases. The elasticity of the membrane allows it to adjust its tension automatically to balance the pulling force exerted by the interfacial tension of the two liquid phases at the three-phase contact line. The budding of the phase enriched with one polymer may be relevant to the selective protein transportation among lumens by means of vesicle in cells. N2 - In der wässrigen Lösung im Inneren von Riesenvesikeln können sich mehrere, räumlich getrennte Phasen ausbilden. Dieses Phänomen könnte im Zusammenhang stehen mit wichtigen Prozessen innerhalb von Zellen, wie etwa Fraktionierung und Sortieren von Proteinen, oder etwa das sog. “Molecular Crowding”. Wir studieren diesen Prozess am Beispiel von zwei unterschiedlichen Polymeren, Polyethylen Glycol (PEG) und Dextran, innerhalb von Riesenvesikeln. Die Dynamik der Phasentrennung dieser eingeschlossenen Polymerlösung lässt sich untersuchen, indem man die Vesikel einer hypertonischen Lösung aussetzt. Durch die Dehydrierung entsteht dabei überschüssige Membranfläche. Je nach Grenzflächenspannung zwischen den koexistierenden Phasen, sowie zwischen der Membran und den beiden Phasen, wird diese überschüssige Fläche entweder zur Ausbildung röhrchenartiger Strukturen verwendet, oder aber es stellen sich morphologische Veränderungen am Vesikel ein. Die Ausbildung der Membranröhrchen ist offenbar gekoppelt an den Phasentrennungsprozess: Die Energie, die bei Phasentrennung frei wird, dient offenbar dazu, die Energiebarriere der Röhrchenbildung zu überwinden. Die Röhrchen können an der Grenzfläche absorbiert werden und dort eine zweidimensionale Struktur ausbilden. Durch kleine Störungen in der Spannung kann die in Form von Röhrchen gespeicherte Membran wieder in deren Oberfläche zurückgezogen werden. Desweiteren wurde in diesem System ein Benetzungsübergang entdeckt, der bisher nur in wenigen experimentellen Systemen beobachtet werden konnte: Erhöht man die Polymerkonzentration, so geht die PEG-reiche Phase von vollständiger zu unvollständiger Benetzung der Membran über. Steht in einem Vesikel, in dem beide Phasen die Membran benetzen, ausreichend überschüssige Membranfläche zur Verfügung, so wird sich eine Phase aus dem Vesikelkörper herauswölben, was zur Trennung der beiden Phasen führt. Dieser benetzungsinduzierte Auswölbungsprozess wird durch die Oberflächenenergie bestimmt und von der Membranspannung moduliert. Dies konnte experimentell an Vesikeln gezeigt werden, die zwei Phasen beinhalten, indem durch eine Mikropipette ein Unterdruck erzeugt wurde. Die Oberflächenenergie kann durch Auswölbung einer der Phasen signifikant verringert werden, da die Kontaktfläche zwischen den koexistierenden Phasen verkleinert wird. Die Elastizität der Membran erlaubt es, die Spannung automatisch anzupassen, sodass die ziehende Kraft ausgeglichen wird, die durch die Grenzflächenspannung der beiden flüssigen Phasen an der drei-Phasen Kontaktlinie ausgeübt wird. Die Auswölbung einer durch Polymere angereicherten Phase könnte relevant sein für den selektiven Transport von Proteinen mit Vesikeln in der Zelle. KW - Membranröhrchen KW - Benetzungsübergang KW - Knospung KW - Vesikel KW - Phasentrennung KW - membrane tube KW - wetting transition KW - budding KW - vesicle KW - phase separation Y1 - 2008 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-29138 ER - TY - JOUR A1 - Gengel, Erik A1 - Pikovskij, Arkadij T1 - Phase reconstruction from oscillatory data with iterated Hilbert transform embeddings BT - benefits and limitations JF - Physica : D, Nonlinear phenomena N2 - In the data analysis of oscillatory systems, methods based on phase reconstruction are widely used to characterize phase-locking properties and inferring the phase dynamics. The main component in these studies is an extraction of the phase from a time series of an oscillating scalar observable. We discuss a practical procedure of phase reconstruction by virtue of a recently proposed method termed iterated Hilbert transform embeddings. We exemplify the potential benefits and limitations of the approach by applying it to a generic observable of a forced Stuart-Landau oscillator. Although in many cases, unavoidable amplitude modulation of the observed signal does not allow for perfect phase reconstruction, in cases of strong stability of oscillations and a high frequency of the forcing, iterated Hilbert transform embeddings significantly improve the quality of the reconstructed phase. We also demonstrate that for significant amplitude modulation, iterated embeddings do not provide any improvement. KW - Data analysis KW - Phase reconstruction KW - Hilbert transform Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.1016/j.physd.2021.133070 SN - 0167-2789 SN - 1872-8022 VL - 429 PB - Elsevier CY - Amsterdam ER - TY - JOUR A1 - Niebuhr, Mario A1 - Heuer, Axel T1 - Phase measurement and far-field reconstruction on externally coupled laser diode arrays JF - Optics express N2 - Passive coherent combination of several discrete low power laser diodes is a promising way to overcome the issue of degrading beam quality when scaling single emitters to > 10W output power. Such systems would be an efficient alternative to current high power sources, yet they suffer from fatal coherence loss when operated well above threshold. We present a new way to obtain detailed coherence information for laser diode arrays using a spatial light modulator to help identify the underlying decoherence processes. Reconstruction tests of the emitted far-field distribution are conducted to evaluate the performance of our setup. Y1 - 2017 U6 - https://doi.org/10.1364/OE.25.014317 SN - 1094-4087 VL - 25 IS - 13 SP - 14317 EP - 14322 PB - Optical Society of America CY - Washington, DC ER - TY - GEN A1 - Niebuhr, Mario A1 - Heuer, Axel T1 - Phase measurement and far-field reconstruction on externally coupled laser diode arrays N2 - Passive coherent combination of several discrete low power laser diodes is a promising way to overcome the issue of degrading beam quality when scaling single emitters to > 10W output power. Such systems would be an efficient alternative to current high power sources, yet they suffer from fatal coherence loss when operated well above threshold. We present a new way to obtain detailed coherence information for laser diode arrays using a spatial light modulator to help identify the underlying decoherence processes. Reconstruction tests of the emitted far-field distribution are conducted to evaluate the performance of our setup. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 383 Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-402140 ER - TY - THES A1 - Schwabedal, Justus Tilmann Caspar T1 - Phase dynamics of irregular oscillations N2 - In der vorliegenden Dissertation wird eine Beschreibung der Phasendynamik irregulärer Oszillationen und deren Wechselwirkungen vorgestellt. Hierbei werden chaotische und stochastische Oszillationen autonomer dissipativer Systeme betrachtet. Für eine Phasenbeschreibung stochastischer Oszillationen müssen zum einen unterschiedliche Werte der Phase zueinander in Beziehung gesetzt werden, um ihre Dynamik unabhängig von der gewählten Parametrisierung der Oszillation beschreiben zu können. Zum anderen müssen für stochastische und chaotische Oszillationen diejenigen Systemzustände identifiziert werden, die sich in der gleichen Phase befinden. Im Rahmen dieser Dissertation werden die Werte der Phase über eine gemittelte Phasengeschwindigkeitsfunktion miteinander in Beziehung gesetzt. Für stochastische Oszillationen sind jedoch verschiedene Definitionen der mittleren Geschwindigkeit möglich. Um die Unterschiede der Geschwindigkeitsdefinitionen besser zu verstehen, werden auf ihrer Basis effektive deterministische Modelle der Oszillationen konstruiert. Hierbei zeigt sich, dass die Modelle unterschiedliche Oszillationseigenschaften, wie z. B. die mittlere Frequenz oder die invariante Wahrscheinlichkeitsverteilung, nachahmen. Je nach Anwendung stellt die effektive Phasengeschwindigkeitsfunktion eines speziellen Modells eine zweckmäßige Phasenbeziehung her. Wie anhand einfacher Beispiele erklärt wird, kann so die Theorie der effektiven Phasendynamik auch kontinuierlich und pulsartig wechselwirkende stochastische Oszillationen beschreiben. Weiterhin wird ein Kriterium für die invariante Identifikation von Zuständen gleicher Phase irregulärer Oszillationen zu sogenannten generalisierten Isophasen beschrieben: Die Zustände einer solchen Isophase sollen in ihrer dynamischen Entwicklung ununterscheidbar werden. Für stochastische Oszillationen wird dieses Kriterium in einem mittleren Sinne interpretiert. Wie anhand von Beispielen demonstriert wird, lassen sich so verschiedene Typen stochastischer Oszillationen in einheitlicher Weise auf eine stochastische Phasendynamik reduzieren. Mit Hilfe eines numerischen Algorithmus zur Schätzung der Isophasen aus Daten wird die Anwendbarkeit der Theorie anhand eines Signals regelmäßiger Atmung gezeigt. Weiterhin zeigt sich, dass das Kriterium der Phasenidentifikation für chaotische Oszillationen nur approximativ erfüllt werden kann. Anhand des Rössleroszillators wird der tiefgreifende Zusammenhang zwischen approximativen Isophasen, chaotischer Phasendiffusion und instabilen periodischen Orbits dargelegt. Gemeinsam ermöglichen die Theorien der effektiven Phasendynamik und der generalisierten Isophasen eine umfassende und einheitliche Phasenbeschreibung irregulärer Oszillationen. N2 - Many natural systems embedded in a complex surrounding show irregular oscillatory dynamics. The oscillations can be parameterized by a phase variable in order to obtain a simplified theoretical description of the dynamics. Importantly, a phase description can be easily extended to describe the interactions of the system with its surrounding. It is desirable to define an invariant phase that is independent of the observable or the arbitrary parameterization, in order to make, for example, the phase characteristics obtained from different experiments comparable. In this thesis, we present an invariant phase description of irregular oscillations and their interactions with the surrounding. The description is applicable to stochastic and chaotic irregular oscillations of autonomous dissipative systems. For this it is necessary to interrelate different phase values in order to allow for a parameterization-independent phase definition. On the other hand, a criterion is needed, that invariantly identifies the system states that are in the same phase. To allow for a parameterization-independent definition of phase, we interrelate different phase values by the phase velocity. However, the treatment of stochastic oscillations is complicated by the fact that different definitions of average velocity are possible. For a better understanding of their differences, we analyse effective deterministic phase models of the oscillations based upon the different velocity definitions. Dependent on the application, a certain effective velocity is suitable for a parameterization-independent phase description. In this way, continuous as well pulse-like interactions of stochastic oscillations can be described, as it is demonstrated with simple examples. On the other hand, an invariant criterion of identification is proposed that generalizes the concept of standard (Winfree) isophases. System states of the same phase are identified to belong to the same generalized isophase using the following invariant criterion: All states of an isophase shall become indistinguishable in the course of time. The criterion is interpreted in an average sense for stochastic oscillations. It allows for a unified treatment of different types of stochastic oscillations. Using a numerical estimation algorithm of isophases, the applicability of the theory is demonstrated by a signal of regular human respiration. For chaotic oscillations, generalized isophases can only be obtained up to a certain approximation. The intimate relationship between these approximate isophase, chaotic phase diffusion, and unstable periodic orbits is explained with the example of the chaotic \roes oscillator. Together, the concept of generalized isophases and the effective phase theory allow for a unified, and invariant phase description of stochastic and chaotic irregular oscillations. T2 - Phasendynamik irregulärer Oszillationen KW - Phasendynamik KW - Stochastische Oszillationen KW - Chaotische Oszillationen KW - Phasenkopplung KW - Zeitreihenanalyse KW - phase dynamics KW - stochastic oscillations KW - chaotic oscillations KW - phase coupling KW - time series analysis Y1 - 2010 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-50115 ER - TY - JOUR A1 - Gengel, Erik A1 - Pikovskij, Arkadij T1 - Phase demodulation with iterative Hilbert transform embeddings JF - Signal processing N2 - We propose an efficient method for demodulation of phase modulated signals via iterated Hilbert transform embeddings. We show that while a usual approach based on one application of the Hilbert transform provides only an approximation to a proper phase, with iterations the accuracy is essentially improved, up to precision limited mainly by discretization effects. We demonstrate that the method is applicable to arbitrarily complex waveforms, and to modulations fast compared to the basic frequency. Furthermore, we develop a perturbative theory applicable to a simple cosine waveform, showing convergence of the technique. KW - Phase modulation KW - Hilbert transform KW - Embedding Y1 - 2019 U6 - https://doi.org/10.1016/j.sigpro.2019.07.005 SN - 0165-1684 SN - 1872-7557 VL - 165 SP - 115 EP - 127 PB - Elsevier CY - Amsterdam ER - TY - JOUR A1 - Tönjes, Ralf A1 - Kori, Hiroshi T1 - Phase and frequency linear response theory for hyperbolic chaotic oscillators JF - Chaos : an interdisciplinary journal of nonlinear science N2 - We formulate a linear phase and frequency response theory for hyperbolic flows, which generalizes phase response theory for autonomous limit cycle oscillators to hyperbolic chaotic dynamics. The theory is based on a shadowing conjecture, stating the existence of a perturbed trajectory shadowing every unperturbed trajectory on the system attractor for any small enough perturbation of arbitrary duration and a corresponding unique time isomorphism, which we identify as phase such that phase shifts between the unperturbed trajectory and its perturbed shadow are well defined. The phase sensitivity function is the solution of an adjoint linear equation and can be used to estimate the average change of phase velocity to small time dependent or independent perturbations. These changes in frequency are experimentally accessible, giving a convenient way to define and measure phase response curves for chaotic oscillators. The shadowing trajectory and the phase can be constructed explicitly in the tangent space of an unperturbed trajectory using co-variant Lyapunov vectors. It can also be used to identify the limits of the regime of linear response. Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1063/5.0064519 SN - 1054-1500 SN - 1089-7682 VL - 32 IS - 4 PB - AIP Publishing CY - Melville ER - TY - JOUR A1 - Irrgang, Andreas A1 - Geier, Stephan A1 - Heber, Ulrich A1 - Kupfer, Thomas A1 - Fürst, F. T1 - PG 1610+062: a runaway B star challenging classical ejection mechanisms JF - Astronomy and astrophysics : an international weekly journal N2 - Hypervelocity stars are rare objects, mostly main-sequence (MS) B stars, traveling so fast that they will eventually escape from the Milky Way. Recently, it has been shown that the popular Hills mechanism, in which a binary system is disrupted via a close encounter with the supermassive black hole at the Galactic center, may not be their only ejection mechanism. The analyses of Gaia data ruled out a Galactic center origin for some of them, and instead indicated that they are extreme disk runaway stars ejected at velocities exceeding the predicted limits of classical scenarios (dynamical ejection from star clusters or binary supernova ejection). We present the discovery of a new extreme disk runaway star, PG 1610+062, which is a slowly pulsating B star bright enough to be studied in detail. A quantitative analysis of spectra taken with ESI at the Keck Observatory revealed that PG 1610+062 is a late B-type MS star of 4–5 M⊙ with low projected rotational velocity. Abundances (C, N, O, Ne, Mg, Al, Si, S, Ar, and Fe) were derived differentially with respect to the normal B star HD 137366 and indicate that PG 1610+062 is somewhat metal rich. A kinematic analysis, based on our spectrophotometric distance (17.3 kpc) and on proper motions from Gaia’s second data release, shows that PG 1610+062 was probably ejected from the Carina-Sagittarius spiral arm at a velocity of 550 ± 40 km s−1, which is beyond the classical limits. Accordingly, the star is in the top five of the most extreme MS disk runaway stars and is only the second among the five for which the chemical composition is known. KW - stars: abundances KW - stars: individual: HD 137366 KW - stars: kinematics and dynamics KW - stars: individual: PG 1610+062 KW - stars: early-type Y1 - 2019 U6 - https://doi.org/10.1051/0004-6361/201935429 SN - 1432-0746 VL - 628 PB - EDP Sciences CY - Les Ulis ER - TY - JOUR A1 - Jonscher, Ernst A1 - Flemming, Sven A1 - Schmitt, Marius A1 - Sabitzki, Ricarda A1 - Reichard, Nick A1 - Birnbaum, Jakob A1 - Bergmann, Bärbel A1 - Höhn, Katharina A1 - Spielmann, Tobias T1 - PfVPS45 Is Required for Host Cell Cytosol Uptake by Malaria Blood Stage Parasites JF - Cell host & microbe N2 - During development in human erythrocytes, the malaria parasite Plasmodium falciparum internalizes a large part of the cellular content of the host cell. The internalized cytosol, consisting largely of hemoglobin, is transported to the parasite’s food vacuole where it is degraded, providing nutrients and space for growth. This host cell cytosol uptake (HCCU) is crucial for parasite survival but the parasite proteins mediating this process remain obscure. Here, we identify P. falciparum VPS45 as an essential factor in HCCU. Conditional inactivation of PfVPS45 led to an accumulation of host cell cytosol-filled vesicles within the parasite and inhibited the delivery of hemoglobin to the parasite's digestive vacuole, resulting in arrested parasite growth. A proportion of these HCCU vesicle intermediates was positive for phosphatidylinositol 3-phosphate, suggesting endosomal characteristics. Thus PfVPS45 provides insight into the elusive machinery of the ingestion pathway in a parasite that contains an endolysosomal system heavily repurposed for protein secretion. Y1 - 2018 U6 - https://doi.org/10.1016/j.chom.2018.11.010 SN - 1931-3128 SN - 1934-6069 VL - 25 IS - 1 SP - 166 EP - 173 PB - Cell Press CY - Cambridge ER - TY - GEN A1 - Reppert, Alexander von A1 - Puddell, J. A1 - Koc, A. A1 - Reinhardt, M. A1 - Leitenberger, Wolfram A1 - Dumesnil, K. A1 - Zamponi, Flavio A1 - Bargheer, Matias T1 - Persistent nonequilibrium dynamics of the thermal energies in the spin and phonon systems of an antiferromagnet N2 - We present a temperature and fluence dependent Ultrafast X-Ray Diffraction study of a laser-heated antiferromagnetic dysprosium thin film. The loss of antiferromagnetic order is evidenced by a pronounced lattice contraction. We devise a method to determine the energy flow between the phonon and spin system from calibrated Bragg peak positions in thermal equilibrium. Reestablishing the magnetic order is much slower than the cooling of the lattice, especially around the Néel temperature. Despite the pronounced magnetostriction, the transfer of energy from the spin system to the phonons in Dy is slow after the spin-order is lost. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 272 Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-98710 ER - TY - JOUR A1 - Reppert, Alexander von A1 - Puddell, J. A1 - Koc, A. A1 - Reinhardt, M. A1 - Leitenberger, Wolfram A1 - Dumesnil, K. A1 - Zamponi, Flavio A1 - Bargheer, Matias T1 - Persistent nonequilibrium dynamics of the thermal energies in the spin and phonon systems of an antiferromagnet JF - Structural dynamics N2 - We present a temperature and fluence dependent Ultrafast X-Ray Diffraction study of a laser-heated antiferromagnetic dysprosium thin film. The loss of antiferromagnetic order is evidenced by a pronounced lattice contraction. We devise a method to determine the energy flow between the phonon and spin system from calibrated Bragg peak positions in thermal equilibrium. Reestablishing the magnetic order is much slower than the cooling of the lattice, especially around the Néel temperature. Despite the pronounced magnetostriction, the transfer of energy from the spin system to the phonons in Dy is slow after the spin-order is lost. Y1 - 2016 U6 - https://doi.org/10.1063/1.4961253 SN - 2329-7778 VL - 3 PB - AIP Publishing LLC CY - Melville, NY ER - TY - JOUR A1 - Brinkmann, Kai Oliver A1 - Becker, Tim A1 - Zimmermann, Florian A1 - Kreusel, Cedric A1 - Gahlmann, Tobias A1 - Theisen, Manuel A1 - Haeger, Tobias A1 - Olthof, Selina A1 - Tückmantel, Christian A1 - Günster, M. A1 - Maschwitz, Timo A1 - Göbelsmann, Fabian A1 - Koch, Christine A1 - Hertel, Dirk A1 - Caprioglio, Pietro A1 - Peña-Camargo, Francisco A1 - Perdigón-Toro, Lorena A1 - Al-Ashouri, Amran A1 - Merten, Lena A1 - Hinderhofer, Alexander A1 - Gomell, Leonie A1 - Zhang, Siyuan A1 - Schreiber, Frank A1 - Albrecht, Steve A1 - Meerholz, Klaus A1 - Neher, Dieter A1 - Stolterfoht, Martin A1 - Riedl, Thomas T1 - Perovskite-organic tandem solar cells with indium oxide interconnect JF - Nature N2 - Multijunction solar cells can overcome the fundamental efficiency limits of single-junction devices. The bandgap tunability of metal halide perovskite solar cells renders them attractive for multijunction architectures(1). Combinations with silicon and copper indium gallium selenide (CIGS), as well as all-perovskite tandem cells, have been reported(2-5). Meanwhile, narrow-gap non-fullerene acceptors have unlocked skyrocketing efficiencies for organic solar cells(6,7). Organic and perovskite semiconductors are an attractive combination, sharing similar processing technologies. Currently, perovskite-organic tandems show subpar efficiencies and are limited by the low open-circuit voltage (V-oc) of wide-gap perovskite cells(8) and losses introduced by the interconnect between the subcells(9,10). Here we demonstrate perovskite-organic tandem cells with an efficiency of 24.0 per cent (certified 23.1 per cent) and a high V-oc of 2.15 volts. Optimized charge extraction layers afford perovskite subcells with an outstanding combination of high V-oc and fill factor. The organic subcells provide a high external quantum efficiency in the near-infrared and, in contrast to paradigmatic concerns about limited photostability of non-fullerene cells(11), show an outstanding operational stability if excitons are predominantly generated on the non-fullerene acceptor, which is the case in our tandems. The subcells are connected by an ultrathin (approximately 1.5 nanometres) metal-like indium oxide layer with unprecedented low optical/electrical losses. This work sets a milestone for perovskite-organic tandems, which outperform the best p-i-n perovskite single junctions(12) and are on a par with perovskite-CIGS and all-perovskite multijunctions(13). Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1038/s41586-022-04455-0 SN - 0028-0836 SN - 1476-4687 VL - 604 IS - 7905 SP - 280 EP - 286 PB - Nature Research CY - Berlin ER - TY - JOUR A1 - Deschler, Felix A1 - Neher, Dieter A1 - Schmidt-Mende, Lukas T1 - Perovskite semiconductors for next generation optoelectronic applications JF - APL Materials Y1 - 2019 U6 - https://doi.org/10.1063/1.5119744 SN - 2166-532X VL - 7 IS - 8 PB - American Institute of Physics CY - Melville ER - TY - JOUR A1 - Goychuk, Igor T1 - Perfect anomalous transport of subdiffusive cargos by molecular motors in viscoelastic cytosol JF - Biosystems : journal of biological and information processing sciences N2 - Multiple experiments show that various submicron particles such as magnetosomes, RNA messengers, viruses, and even much smaller nanoparticles such as globular proteins diffuse anomalously slow in viscoelastic cytosol of living cells. Hence, their sufficiently fast directional transport by molecular motors such as kinesins is crucial for the cell operation. It has been shown recently that the traditional flashing Brownian ratchet models of molecular motors are capable to describe both normal and anomalous transport of such subdiffusing cargos by molecular motors with a very high efficiency. This work elucidates further an important role of mechanochemical coupling in such an anomalous transport. It shows a natural emergence of a perfect subdiffusive ratchet regime due to allosteric effects, where the random rotations of a "catalytic wheel" at the heart of the motor operation become perfectly synchronized with the random stepping of a heavily loaded motor, so that only one ATP molecule is consumed on average at each motor step along microtubule. However, the number of rotations made by the catalytic engine and the traveling distance both scale sublinearly in time. Nevertheless, this anomalous transport can be very fast in absolute terms. KW - Brownian motors KW - Flashing ratchets KW - Memory effects KW - Viscoelasticity KW - Subdiffusion KW - Generalized Langevin equation KW - Multi-dimensional Markovian embedding of non-Markovian dynamics KW - Anomalous transport KW - Thermodynamic efficiency Y1 - 2019 U6 - https://doi.org/10.1016/j.biosystems.2018.11.004 SN - 0303-2647 SN - 1872-8324 VL - 177 SP - 56 EP - 65 PB - Elsevier CY - Oxford ER - TY - JOUR A1 - Massolt, Joost Willem A1 - Borowski, Andreas T1 - Perceived relevance of university physics problems by pre-service physics teachers BT - personal constructs JF - International journal of science education N2 - Pre-service physics teachers often do not recognise the relevance for their future career in their university content knowledge courses. A lower perceived relevance can, however, have a negative effect on their motivation and on their academic success. Several intervention studies have been undertaken with the goal to increase this perceived relevance. A previous study shows that conceptual physics problems used in university physics courses are perceived by pre-service physics teachers as more relevant for their future career than regular, quantitative problems. It is however not clear, what the students' meaning of the construct 'relevance' is: what makes a problem more relevant to them than another problem? To answer this question, N = 7 pre-service teachers were interviewed using the repertory grid technique, based on the personal construct theory. Nine physics problems were discussed with regards to their perceived relevance and with regards to problem properties that distinguish these problems from each other. We are able to identify six problem properties that have a positive influence on the perceived relevance. Physics problems that are based on these properties should therefore potentially have a higher perceived relevance, which can have a positive effect on the motivation of the pre-service teachers who solve these problems. KW - Motivation KW - physics education KW - pre-service teachers KW - repertory grid Y1 - 2020 U6 - https://doi.org/10.1080/09500693.2019.1705424 SN - 0950-0693 SN - 1464-5289 VL - 42 IS - 2 SP - 167 EP - 189 PB - Routledge, Taylor & Francis Group CY - Abingdon ER - TY - GEN A1 - Massolt, Joost Willem A1 - Borowski, Andreas T1 - Perceived relevance of university physics problems by pre-service physics teachers BT - personal constructs T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Pre-service physics teachers often do not recognise the relevance for their future career in their university content knowledge courses. A lower perceived relevance can, however, have a negative effect on their motivation and on their academic success. Several intervention studies have been undertaken with the goal to increase this perceived relevance. A previous study shows that conceptual physics problems used in university physics courses are perceived by pre-service physics teachers as more relevant for their future career than regular, quantitative problems. It is however not clear, what the students' meaning of the construct 'relevance' is: what makes a problem more relevant to them than another problem? To answer this question, N = 7 pre-service teachers were interviewed using the repertory grid technique, based on the personal construct theory. Nine physics problems were discussed with regards to their perceived relevance and with regards to problem properties that distinguish these problems from each other. We are able to identify six problem properties that have a positive influence on the perceived relevance. Physics problems that are based on these properties should therefore potentially have a higher perceived relevance, which can have a positive effect on the motivation of the pre-service teachers who solve these problems. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1396 KW - motivation KW - physics education KW - pre-service teachers KW - repertory grid Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-515838 SN - 1866-8372 VL - 42 IS - 2 SP - 167 EP - 189 ER - TY - JOUR A1 - Gerhard, Reimund A1 - Kacprzyk, Ryszard T1 - Paul Böning - early electret researcher in Shanghai and Wroclaw (1922-1945) JF - IEEE transactions on dielectrics and electrical insulation N2 - The scientific career and the research activities of Paul Boening, especially during his tenures at Tongji University in Shanghai (Woosung Campus, 1922-1936) and the Technical University of Wroclaw (TH Breslau, 1936-1945), are briefly reviewed. In particular, Boening's pioneering investigations in the area of electrets and space charge in dielectrics are emphasized. We attempt to shed some light on the significant achievements of a virtually unknown contributor to the early history of electrets and of space-charge research and high-voltage engineering, during the 1920s and 1930s. It should be noted that dielectrics research was a truly international endeavor already at that time. KW - dielectrics KW - electrets KW - electrostatic KW - experiments KW - (high-)voltage measurements KW - space charge Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1109/TDEI.2022.3168372 SN - 1070-9878 SN - 1558-4135 VL - 29 IS - 3 SP - 853 EP - 858 PB - Institute of Electrical and Electronics Engineers CY - New York, NY ER - TY - THES A1 - Omelchenko, Oleh T1 - Synchronität-und-Unordnung-Muster in Netzwerken gekoppelter Oszillatoren T1 - Patterns of synchrony and disorder in networks of coupled oscillators N2 - Synchronization of coupled oscillators manifests itself in many natural and man-made systems, including cyrcadian clocks, central pattern generators, laser arrays, power grids, chemical and electrochemical oscillators, only to name a few. The mathematical description of this phenomenon is often based on the paradigmatic Kuramoto model, which represents each oscillator by one scalar variable, its phase. When coupled, phase oscillators constitute a high-dimensional dynamical system, which exhibits complex behaviour, ranging from synchronized uniform oscillation to quasiperiodicity and chaos. The corresponding collective rhythms can be useful or harmful to the normal operation of various systems, therefore they have been the subject of much research. Initially, synchronization phenomena have been studied in systems with all-to-all (global) and nearest-neighbour (local) coupling, or on random networks. However, in recent decades there has been a lot of interest in more complicated coupling structures, which take into account the spatially distributed nature of real-world oscillator systems and the distance-dependent nature of the interaction between their components. Examples of such systems are abound in biology and neuroscience. They include spatially distributed cell populations, cilia carpets and neural networks relevant to working memory. In many cases, these systems support a rich variety of patterns of synchrony and disorder with remarkable properties that have not been observed in other continuous media. Such patterns are usually referred to as the coherence-incoherence patterns, but in symmetrically coupled oscillator systems they are also known by the name chimera states. The main goal of this work is to give an overview of different types of collective behaviour in large networks of spatially distributed phase oscillators and to develop mathematical methods for their analysis. We focus on the Kuramoto models for one-, two- and three-dimensional oscillator arrays with nonlocal coupling, where the coupling extends over a range wider than nearest neighbour coupling and depends on separation. We use the fact that, for a special (but still quite general) phase interaction function, the long-term coarse-grained dynamics of the above systems can be described by a certain integro-differential equation that follows from the mathematical approach called the Ott-Antonsen theory. We show that this equation adequately represents all relevant patterns of synchrony and disorder, including stationary, periodically breathing and moving coherence-incoherence patterns. Moreover, we show that this equation can be used to completely solve the existence and stability problem for each of these patterns and to reliably predict their main properties in many application relevant situations. N2 - Die Synchronisation von gekoppelten Oszillatoren tritt in vielen natürlichen und künstlichen Systemen auf, beispielsweise bei zirkadianen Uhren, zentralen Mustergeneratoren, Laserarrays, Stromnetzen oder chemischen und elektrochemischen Oszillatoren, um nur einige zu nennen. Die mathematische Beschreibung dieses Phänomens basiert häufig auf dem paradigmatischen Kuramoto-Modell, das jeden Oszillator durch eine skalare Variable, seine Phase, darstellt. Wenn Phasenoszillatoren gekoppelt sind, bilden sie ein hochdimensionales dynamisches System, das ein komplexes Verhalten aufweist, welches von synchronisierter kollektiver Oszillation bis zu Quasiperiodizität und Chaos reicht. Die entsprechenden kollektiven Rhythmen können für den normalen Betrieb verschiedener Systeme nützlich oder schädlich sein, weshalb sie Gegenstand zahlreicher Untersuchungen waren. Anfänglich wurden Synchronisationsphänomene in Systemen mit globaler Mittelfeldkopplung und lokaler Nächster-Nachbar Kopplung oder in komplexen Netzwerken untersucht. In den letzten Jahrzehnten gab es jedoch großes Interesse an anderen Kopplungsstrukturen, die die räumlich verteilte Natur realer Oszillatorsysteme und die entfernungsabhängige Natur der Wechselwirkung zwischen ihren Komponenten berücksichtigen. Sowohl in Bereichen der Biologie als auch der Neurowissenschaften gibt es eine Vielzahl von Beipsieln für solche Systeme. Dazu gehören räumlich verteilte Zellpopulationen, Zilien-Teppiche und neuronale Netze, die für das Arbeitsgedächtnis relevant sind. In vielen Fällen unterstützen diese Systeme eine Vielzahl von Synchronität-und-Unordnung-Mustern mit bemerkenswerten Eigenschaften, die in anderen kontinuierlichen Medien nicht beobachtet wurden. Solche Muster werden üblicherweise als Kohärenz-Inkohärenz-Muster bezeichnet, aber in symmetrisch gekoppelten Oszillatorsystemen sind diese auch unter dem Namen Chimära-Zustände bekannt. Das Hauptziel dieser Arbeit ist es, einen Überblick über verschiedene Arten von kollektivem Verhalten in großen Netzwerken räumlich verteilter Phasenoszillatoren zu geben und mathematische Methoden für deren Analyse zu entwickeln. Wir konzentrieren uns dabei auf die Kuramoto-Modelle für ein-, zwei- und dreidimensionale Oszillator-Arrays mit nichtlokaler Kopplung, wobei sich die Kopplung über einen Bereich erstreckt, welcher breiter ist als die Kopplung zum nächsten Nachbarn und von der Trennung abhängt. Wir verwenden die Tatsache, dass für eine spezielle (aber immer noch recht allgemeine) Phasenwechselwirkungsfunktion die langfristige grobkörnige Dynamik der obigen Systeme durch eine bestimmte Integro-Differentialgleichung beschrieben werden kann. Diese ergibt sich aus dem mathematischen Ansatz namens Ott-Antonsen-Theorie. Wir zeigen, dass diese Gleichung alle relevanten Synchronität-und-Unordnung-Muster angemessen darstellt, einschließlich stationärer, periodisch oszillierender und sich bewegender Kohärenz-Inkohärenz-Muster. Darüber hinaus zeigen wir, dass diese Gleichung verwendet werden kann, um das Existenz- und Stabilitätsproblem für jedes dieser Muster vollständig zu lösen und ihre Haupteigenschaften in vielen anwendungsrelevanten Situationen zuverlässig vorherzusagen. KW - phase oscillators KW - networks KW - synchronization KW - dynamical patterns KW - chimera states KW - Phasenoszillatoren KW - Netzwerke KW - Synchronisation KW - dynamische Muster KW - Chimäre-Zustände Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-535961 ER - TY - THES A1 - Tönjes, Ralf T1 - Pattern formation through synchronization in systems of nonidentical autonomous oscillators T1 - Musterbildung durch Synchronisation in Systemen nicht identischer, autonomer Oszillatoren N2 - This work is concerned with the spatio-temporal structures that emerge when non-identical, diffusively coupled oscillators synchronize. It contains analytical results and their confirmation through extensive computer simulations. We use the Kuramoto model which reduces general oscillatory systems to phase dynamics. The symmetry of the coupling plays an important role for the formation of patterns. We have studied the ordering influence of an asymmetry (non-isochronicity) in the phase coupling function on the phase profile in synchronization and the intricate interplay between this asymmetry and the frequency heterogeneity in the system. The thesis is divided into three main parts. Chapter 2 and 3 introduce the basic model of Kuramoto and conditions for stable synchronization. In Chapter 4 we characterize the phase profiles in synchronization for various special cases and in an exponential approximation of the phase coupling function, which allows for an analytical treatment. Finally, in the third part (Chapter 5) we study the influence of non-isochronicity on the synchronization frequency in continuous, reaction diffusion systems and discrete networks of oscillators. N2 - Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich in Theorie und Simulation mit den raum-zeitlichen Strukturen, die entstehen, wenn nicht-identische, diffusiv gekoppelte Oszillatoren synchronisieren. Wir greifen dabei auf die von Kuramoto hergeleiteten Phasengleichungen zurück. Eine entscheidene Rolle für die Musterbildung spielt die Symmetrie der Kopplung. Wir untersuchen den ordnenden Einfluss von Asymmetrie (Nichtisochronizität) in der Phasenkopplungsfunktion auf das Phasenprofil in Synchronisation und das Zusammenspiel zwischen dieser Asymmetrie und der Frequenzheterogenität im System. Die Arbeit gliedert sich in drei Hauptteile. Kapitel 2 und 3 beschäftigen sich mit den grundlegenden Gleichungen und den Bedingungen für stabile Synchronisation. Im Kapitel 4 charakterisieren wir die Phasenprofile in Synchronisation für verschiedene Spezialfälle sowie in der von uns eingeführten exponentiellen Approximation der Phasenkopplungsfunktion. Schliesslich untersuchen wir im dritten Teil (Kap.5) den Einfluss von Nichtisochronizität auf die Synchronisationsfrequenz in kontinuierlichen, oszillatorischen Reaktions-Diffusionssystemen und diskreten Netzwerken von Oszillatoren. KW - Synchronisation KW - Musterbildung KW - Phasen-Gleichungen KW - Phasen-Oszillatoren KW - Kuramoto Modell KW - synchronization KW - pattern formation KW - phase equations KW - phase oscillators KW - Kuramoto model Y1 - 2007 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-15973 ER - TY - THES A1 - Wieland, Volkmar T1 - Particle-in-cell simulations of perpendicular supernova shock fronts T1 - Particle-in-Cell Simulationen von senkrechten Supernova Schock-Fronten N2 - The origin of cosmic rays was the subject of several studies for over a century. The investigations done within this dissertation are one small step to shed some more light on this mystery. Locating the sources of cosmic rays is not trivial due to the interstellar magnetic field. However, the Hillas criterion allows us to arrive at the conclusion that supernova remnants are our main suspect for the origin of galactic cosmic rays. The mechanism by which they are accelerating particles is found within the field of shock physics as diffusive shock acceleration. To allow particles to enter this process also known as Fermi acceleration pre-acceleration processes like shock surfing acceleration and shock drift acceleration are necessary. Investigating the processes happening in the plasma shocks of supernova remnants is possible by utilising a simplified model which can be simulated on a computer using Particle-in-Cell simulations. We developed a new and clean setup to simulate the formation of a double shock, i.e., consisting of a forward and a reverse shock and a contact discontinuity, by the collision of two counter-streaming plasmas, in which a magnetic field can be woven into. In a previous work, we investigated the processes at unmagnetised and at magnetised parallel shocks, whereas in the current work, we move our investigation on to magnetised perpendicular shocks. Due to a much stronger confinement of the particles to the collision region the perpendicular shock develops much faster than the parallel shock. On the other hand, this leads to much weaker turbulence. We are able to find indications for shock surfing acceleration and shock drift acceleration happening at the two shocks leading to populations of pre-accelerated particles that are suitable as a seed population to be injected into further diffusive shock acceleration to be accelerated to even higher energies. We observe the development of filamentary structures in the shock ramp of the forward shock, but not at the reverse shock. This leads to the conclusion that the development of such structures in the shock ramp of quasi-perpendicular collisionless shocks might not necessarily be determined by the existence of a critical sonic Mach number but by a critical shock speed. The results of the investigations done within this dissertation might be useful for further studies of oblique shocks and for studies using hybrid or magnetohydrodynamic simulations. Together with more sophisticated observational methods, these studies will help to bring us closer to an answer as to how particles can be accelerated in supernova remnants and eventually become cosmic rays that can be detected on Earth. N2 - Der Ursprung der kosmischen Strahlung war seit über einem Jahrhundert Gegenstand von zahlreichen Untersuchungen. Die Untersuchungen, welche innerhalb dieser Dissertation gemacht wurden, sind ein kleiner Schritt dazu etwas mehr Licht auf dieses Geheimnis zu werfen. Die Quellen der kosmischen Strahlung herauszufinden stellt sich aufgrund des interstellaren Magnetfeldes als nicht trivial heraus. Jedoch erlaubt uns das Hillas-Kriterium die Schlussfolgerung, dass Supernovaüberreste unsere Hauptverdächtigen für den Ursprung der galaktischen kosmischen Strahlung sind. Der Mechanismus, durch welchen sie Teilchen beschleunigen, kann im Gebiet der Schock-Physik in Form der diffusen Schockbeschleunigung gefunden werden. Um den Teilchen zu ermöglichen an diesem Prozess, der auch als Fermi-Beschleunigung bekannt ist, teilzunehmen, sind Vorbeschleunigungsprozesse wie die Schock-Surfing-Beschleunigung und die Schock-Drift-Beschleunigung nötig. Die Untersuchung der Prozesse in Plasma-Schocks ist durch die Verwendung eines vereinfachten Modells möglich, welches sich mit Hilfe von Particle-in-Cell Simulationen auf einem Computer simulieren lässt. Wir haben einen neuen und sauberen Setup entwickelt um die Entstehung eines Doppelschocks, bestehend aus einem vorwärts und einem rückwärts gerichtet Schock und einer Kontakt-Diskontinuität, durch die Kollision zweier gegeneinander strömender Plasmen, in welche ein Magnetfeld eingelagert werden kann, zu simulieren. In einer vorhergehenden Arbeit haben wir bereits die Prozesse an unmagnetisierten und an magnetisierten parallelen Schocks untersucht, weshalb wir in der vorliegenden Arbeit zu der Untersuchung magnetisierter senkrechter Schocks weiter gegangen sind. Aufgrund eines sehr viel stärkeren Einfangens der Teilchen in der Kollisionsregion, entwickelt sich der senkrechte Schock sehr viel schneller als der parallele Schock. Andererseits führt dies zu einer viel schwächeren Turbulenz. Wir finden Anzeichen für Schock-Surfing-Beschleunigung und Schock-Drift-Beschleunigung in beiden Schocks, welche Populationen von vorbeschleunigten Teilchen erzeugen, die wiederum als Ausgangspopulation für die Injektion in die diffusive Schock-Beschleunigung geeignet sind um zu noch höheren Energien beschleunigt zu werden. Wir beobachten die Entwicklung von Filamentstrukturen in der Schockrampe des vorwärts gerichteten Schocks, jedoch nicht im rückwärts gerichtet Schock. Dies führt zu der Schlussfolgerung, dass die Entwicklung dieser Strukturen in der Schockrampe von quasi-senkrechten kollisionsfreien Schocks nicht notwendigerweise durch die Existenz einer kritischen sonischen Machzahl bestimmt ist, sondern durch eine kritische Schock-Geschwindigkeit. Die Ergebnisse der Untersuchungen in dieser Dissertation können sich für weiterführende Untersuchungen von schrägen Schocks und für Untersuchungen mit Hilfe von hybriden oder magnetohydrodynamischen Simulationen als nützlich erweisen. Zusammen mit ausgefeilteren Beobachtungsmethoden helfen uns diese Untersuchungen dabei näher an eine Antwort auf die Frage zu kommen, wie Teilchen in Supernovaüberresten beschleunigt werden können um schließlich als kosmische Strahlung auf der Erde detektiert werden zu können. KW - cosmic rays KW - kosmische Strahlung KW - supernova remnants KW - Supernovaüberreste KW - particle-in-cell simulations Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-74532 ER - TY - JOUR A1 - Abdalla, Hassan E. A1 - Aharonian, Felix A. A1 - Benkhali, F. Ait A1 - Angüner, Ekrem Oǧuzhan A1 - Arakawa, M. A1 - Arcaro, C. A1 - Armand, C. A1 - Arrieta, M. A1 - Backes, M. A1 - Barnard, M. A1 - Becherini, Y. A1 - Tjus, J. Becker A1 - Berge, D. A1 - Bernloehr, K. A1 - Blackwell, R. A1 - Bottcher, M. A1 - Boisson, C. A1 - Bolmont, J. A1 - Bonnefoy, S. A1 - Bordas, Pol A1 - Bregeon, J. A1 - Brun, F. A1 - Brun, P. A1 - Bryan, M. A1 - Buechele, M. A1 - Bulik, T. A1 - Bylund, T. A1 - Capasso, M. A1 - Caroff, S. A1 - Carosi, A. A1 - Casanova, Sabrina A1 - Cerruti, M. A1 - Chakraborty, N. A1 - Chand, T. A1 - Chandra, S. A1 - Chaves, R. C. G. A1 - Chen, A. A1 - Colafrancesco, S. A1 - Condon, B. A1 - Davids, I. D. A1 - Deil, C. A1 - Devin, J. A1 - deWilt, P. A1 - Dirson, L. A1 - Djannati-Atai, A. A1 - Dmytriiev, A. A1 - Donath, A. A1 - Doroshenko, V A1 - Dyks, J. A1 - Egberts, Kathrin A1 - Emery, G. A1 - Ernenwein, J-P A1 - Eschbach, S. A1 - Fegan, S. A1 - Fiasson, A. A1 - Fontaine, G. A1 - Funk, S. A1 - Fuessling, M. A1 - Gabici, S. A1 - Gallant, Y. A. A1 - Gate, F. A1 - Giavitto, G. A1 - Glawion, D. A1 - Glicenstein, J. F. A1 - Gottschall, D. A1 - Grondin, M-H A1 - Hahn, J. A1 - Haupt, M. A1 - Heinzelmann, G. A1 - Henri, G. A1 - Hermann, G. A1 - Hinton, James Anthony A1 - Hofmann, W. A1 - Hoischen, Clemens A1 - Holch, Tim Lukas A1 - Holler, M. A1 - Horns, D. A1 - Huber, D. A1 - Iwasaki, H. A1 - Jacholkowska, A. A1 - Jamrozy, M. A1 - Jankowsky, D. A1 - Jankowsky, F. A1 - Jouvin, L. A1 - Jung-Richardt, I A1 - Kastendieck, M. A. A1 - Katarzynski, K. A1 - Katsuragawa, M. A1 - Katz, U. A1 - Kerszberg, D. A1 - Khangulyan, D. A1 - Khelifi, B. A1 - King, J. A1 - Klepser, S. A1 - Kluzniak, W. A1 - Komin, Nu A1 - Kosack, K. A1 - Kraus, M. A1 - Lamanna, G. A1 - Lau, J. A1 - Lefaucheur, J. A1 - Lemiere, A. A1 - Lemoine-Goumard, M. A1 - Lenain, J-P A1 - Leser, Eva A1 - Lohse, T. A1 - Lopez-Coto, R. A1 - Lypova, I A1 - Malyshev, D. A1 - Marandon, V A1 - Marcowith, Alexandre A1 - Mariaud, C. A1 - Marti-Devesa, G. A1 - Marx, R. A1 - Maurin, G. A1 - Meintjes, P. J. A1 - Mitchell, A. M. W. A1 - Moderski, R. A1 - Mohamed, M. A1 - Mohrmann, L. A1 - Moore, C. A1 - Moulin, Emmanuel A1 - Murach, T. A1 - Nakashima, S. A1 - de Naurois, M. A1 - Ndiyavala, H. A1 - Niederwanger, F. A1 - Niemiec, J. A1 - Oakes, L. A1 - Odaka, H. A1 - Ohm, S. A1 - Ostrowski, M. A1 - Oya, I A1 - Panter, M. A1 - Parsons, R. D. A1 - Perennes, C. A1 - Petrucci, P-O A1 - Peyaud, B. A1 - Piel, Q. A1 - Pita, S. A1 - Poireau, V A1 - Noel, A. Priyana A1 - Prokhorov, D. A. A1 - Prokoph, H. A1 - Puehlhofer, G. A1 - Punch, M. A1 - Quirrenbach, A. A1 - Raab, S. A1 - Rauth, R. A1 - Reimer, A. A1 - Reimer, O. A1 - Renaud, M. A1 - Rieger, F. A1 - Rinchiuso, L. A1 - Romoli, C. A1 - Rowell, G. A1 - Rudak, B. A1 - Ruiz-Velasco, E. A1 - Sahakian, V A1 - Saito, S. A1 - Sanchez, David M. A1 - Santangelo, Andrea A1 - Sasaki, M. A1 - Schlickeiser, R. A1 - Schussler, F. A1 - Schulz, A. A1 - Schutte, H. A1 - Schwanke, U. A1 - Schwemmer, S. A1 - Seglar-Arroyo, M. A1 - Senniappan, M. A1 - Seyffert, A. S. A1 - Shafi, N. A1 - Shilon, I A1 - Shiningayamwe, K. A1 - Simoni, R. A1 - Sinha, A. A1 - Sol, H. A1 - Specovius, A. A1 - Spir-Jacob, M. A1 - Stawarz, L. A1 - Steenkamp, R. A1 - Stegmann, Christian A1 - Steppa, Constantin Beverly A1 - Takahashi, T. A1 - Tavernet, J-P A1 - Tavernier, T. A1 - Taylor, A. M. A1 - Terrier, R. A1 - Tibaldo, L. A1 - Tiziani, D. A1 - Tluczykont, M. A1 - Trichard, C. A1 - Tsirou, M. A1 - Tsuji, N. A1 - Tuffs, R. A1 - Uchiyama, Y. A1 - van der Walt, D. J. A1 - van Eldik, C. A1 - van Rensburg, C. A1 - van Soelen, B. A1 - Vasileiadis, G. A1 - Veh, J. A1 - Venter, C. A1 - Vincent, P. A1 - Vink, J. A1 - Voisin, F. A1 - Voelk, H. J. A1 - Vuillaume, T. A1 - Wadiasingh, Z. A1 - Wagner, S. J. A1 - Wagner, R. M. A1 - White, R. A1 - Wierzcholska, A. A1 - Yang, R. A1 - Yoneda, H. A1 - Zaborov, D. A1 - Zacharias, M. A1 - Zanin, R. A1 - Zdziarski, A. A. A1 - Zech, Alraune A1 - Zefi, F. A1 - Ziegler, A. A1 - Zorn, J. A1 - Zywucka, N. T1 - Particle transport within the pulsar wind nebula HESS J1825-137 JF - Astronomy and astrophysics : an international weekly journal N2 - Context. We present a detailed view of the pulsar wind nebula (PWN) HESS J1825-137. We aim to constrain the mechanisms dominating the particle transport within the nebula, accounting for its anomalously large size and spectral characteristics. Aims. The nebula was studied using a deep exposure from over 12 years of H.E.S.S. I operation, together with data from H.E.S.S. II that improve the low-energy sensitivity. Enhanced energy-dependent morphological and spatially resolved spectral analyses probe the very high energy (VHE, E > 0.1 TeV) gamma-ray properties of the nebula. Methods. The nebula emission is revealed to extend out to 1.5 degrees from the pulsar, similar to 1.5 times farther than previously seen, making HESS J1825-137, with an intrinsic diameter of similar to 100 pc, potentially the largest gamma-ray PWN currently known. Characterising the strongly energy-dependent morphology of the nebula enables us to constrain the particle transport mechanisms. A dependence of the nebula extent with energy of R proportional to E alpha with alpha = -0.29 +/- 0.04(stat) +/- 0.05(sys) disfavours a pure diffusion scenario for particle transport within the nebula. The total gamma-ray flux of the nebula above 1 TeV is found to be (1.12 +/- 0.03(stat) +/- 0.25(sys)) +/- 10(-11) cm(-2) s(-1), corresponding to similar to 64% of the flux of the Crab nebula. Results. HESS J1825-137 is a PWN with clearly energy-dependent morphology at VHE gamma-ray energies. This source is used as a laboratory to investigate particle transport within intermediate-age PWNe. Based on deep observations of this highly spatially extended PWN, we produce a spectral map of the region that provides insights into the spectral variation within the nebula. KW - gamma rays: general KW - acceleration of particles KW - convection KW - diffusion KW - pulsars: general Y1 - 2019 U6 - https://doi.org/10.1051/0004-6361/201834335 SN - 1432-0746 VL - 621 PB - EDP Sciences CY - Les Ulis ER - TY - THES A1 - Kranjc Horvat, Anja T1 - Particle physics in high-school education T1 - Teilchenphysik im Oberstufenunterricht BT - what should students and teachers learn? BT - was sollten Jugendliche und Lehrpersonen lernen? N2 - Elementary particle physics is a contemporary topic in science that is slowly being integrated into high-school education. These new implementations are challenging teachers’ professional knowledge worldwide. Therefore, physics education research is faced with two important questions, namely, how can particle physics be integrated in high-school physics curricula and how best to support teachers in enhancing their professional knowledge on particle physics. This doctoral research project set up to provide better guidelines for answering these two questions by conducting three studies on high-school particle physics education. First, an expert concept mapping study was conducted to elicit experts’ expectations on what high-school students should learn about particle physics. Overall, 13 experts in particle physics, computing, and physics education participated in 9 concept mapping rounds. The broad knowledge base of the experts ensured that the final expert concept map covers all major particle physics aspects. Specifically, the final expert concept map includes 180 concepts and examples, connected with 266 links and crosslinks. Among them are also several links to students’ prior knowledge in topics such as mechanics and thermodynamics. The high interconnectedness of the concepts shows possible opportunities for including particle physics as a context for other curricular topics. As such, the resulting expert concept map is showcased as a well-suited tool for teachers to scaffold their instructional practice. Second, a review of 27 high-school physics curricula was conducted. The review uncovered which concepts related to particle physics can be identified in most curricula. Each curriculum was reviewed by two reviewers that followed a codebook with 60 concepts related to particle physics. The analysis showed that most curricula mention cosmology, elementary particles, and charges, all of which are considered theoretical particle physics concepts. None of the experimental particle physics concepts appeared in more than half of the reviewed curricula. Additional analysis was done on two curricular subsets, namely curricula with and curricula without an explicit particle physics chapter. Curricula with an explicit particle physics chapter mention several additional explicit particle physics concepts, namely the Standard Model of particle physics, fundamental interactions, antimatter research, and particle accelerators. The latter is an example of experimental particle physics concepts. Additionally, the analysis revealed that, overall, most curricula include Nature of Science and history of physics, albeit both are typically used as context or as a tool for teaching, respectively. Third, a Delphi study was conducted to investigate stakeholders’ expectations regarding what teachers should learn in particle physics professional development programmes. Over 100 stakeholders from 41 countries represented four stakeholder groups, namely physics education researchers, research scientists, government representatives, and high-school teachers. The study resulted in a ranked list of the 13 most important topics to be included in particle physics professional development programmes. The highest-ranked topics are cosmology, the Standard Model, and real-life applications of particle physics. All stakeholder groups agreed on the overall ranking of the topics. While the highest-ranked topics are again more theoretical, stakeholders also expect teachers to learn about experimental particle physics topics, which are ranked as medium importance topics. The three studies addressed two research aims of this doctoral project. The first research aim was to explore to what extent particle physics is featured in high-school physics curricula. The comparison of the outcomes of the curricular review and the expert concept map showed that curricula cover significantly less than what experts expect high-school students to learn about particle physics. For example, most curricula do not include concepts that could be classified as experimental particle physics. However, the strong connections between the different concept show that experimental particle physics can be used as context for theoretical particle physics concepts, Nature of Science, and other curricular topics. In doing so, particle physics can be introduced in classrooms even though it is not (yet) explicitly mentioned in the respective curriculum. The second research aim was to identify which aspects of content knowledge teachers are expected to learn about particle physics. The comparison of the Delphi study results to the outcomes of the curricular review and the expert concept map showed that stakeholders generally expect teachers to enhance their school knowledge as defined by the curricula. Furthermore, teachers are also expected to enhance their deeper school knowledge by learning how to connect concepts from their school knowledge to other concepts in particle physics and beyond. As such, professional development programmes that focus on enhancing teachers’ school knowledge and deeper school knowledge best support teachers in building relevant context in their instruction. Overall, this doctoral research project reviewed the current state of high-school particle physics education and provided guidelines for future enhancements of the particle physics content in high-school student and teacher education. The outcomes of the project support further implementations of particle physics in high-school education both as explicit content and as context for other curricular topics. Furthermore, the mixed-methods approach and the outcomes of this research project lead to several implications for professional development programmes and science education research, that are discussed in the final chapters of this dissertation. N2 - Elementarteilchenphysik ist ein aktuelles naturwissenschaftliches Thema, das langsam in den Oberstufenunterricht integriert wird. Diese neuen Umsetzungen stellen das Professionswissen der Lehrpersonen weltweit infrage. Die Fachdidaktik sieht sich daher mit zwei wichtigen Fragen beschäftigt: Wie kann die Teilchenphysik in die Oberstufenlehrpläne integriert werden und wie können Lehrpersonen am besten dabei unterstützt werden, ihr Professionswissen über Teilchenphysik zu erweitern? Im Rahmen dieses Promotionsprojekts wurden drei Studien zum Unterricht von Teilchenphysik in der Oberstufe durchgeführt, um bessere Leitlinien für die Beantwortung dieser beiden Fragen zu erarbeiten. Zunächst wurde eine Concept-Mapping-Studie durchgeführt, um die Erwartungen von ExpertInnen darüber zu ermitteln, was SchülerInnen der Oberstufe über Teilchenphysik lernen sollten. Insgesamt nahmen 13 ExpertInnen aus den Bereichen Teilchenphysik, Informatik und Physikdidaktik an 9 Concept-Mapping-Runden teil. Die breite Wissensbasis der Experten stellte sicher, dass die endgültige Expert Concept Map alle wichtigen Aspekte der Teilchenphysik umspannt. Die endgültige Expert Concept Map enthält 180 Konzepte und Beispiele, die mit 266 Verbindungen und Querverweisen verknüpft sind. Darunter befinden sich auch mehrere Bezüge zum Vorwissen der SchülerInnen in Themen wie Mechanik und Thermodynamik. Die starke Vernetzung der Konzepte zeigt, dass es möglich ist, die Teilchenphysik als Kontext für andere Lehrplanthemen zu nutzen. Die so entstandene Expert Concept Map wird als geeignetes Instrument für Lehrpersonen zur Unterstützung ihrer Unterrichtspraxis vorgestellt. Zweitens wurde ein Vergleich von 27 Physiklehrplänen für die Oberstufe durchgeführt. Dabei wurde festgestellt, welche Konzepte mit Bezug zur Teilchenphysik in den meisten Lehrplänen zu finden sind. Jeder Lehrplan wurde von zwei Gutachtern mittels einer Kodieranleitung mit 60 Konzepten zur Teilchenphysik analysiert. Die Lehrplananalyse ergab, dass in den meisten Lehrplänen Kosmologie, Elementarteilchen und Ladungen erwähnt werden, die alle als theoretische Konzepte der Teilchenphysik gelten. Keines der Konzepte der experimentellen Teilchenphysik kam in mehr als der Hälfte der untersuchten Lehrpläne vor. Eine zusätzliche Analyse wurde für zwei Untergruppen von Lehrplänen durchgeführt, nämlich Lehrpläne mit und Lehrpläne ohne ein explizites Teilchenphysik-Kapitel. In Lehrplänen mit einem expliziten Teilchenphysik-Kapitel werden mehrere zusätzliche Teilchenphysik-Konzepte erwähnt, nämlich das Standardmodell der Teilchenphysik, fundamentale Wechselwirkungen, Antimaterieforschung und Teilchenbeschleuniger. Letzteres ist ein Beispiel für Konzepte der experimentellen Teilchenphysik. Darüber hinaus ergab die Analyse, dass die meisten Lehrpläne Aspekte der Nature of Science und der Geschichte der Physik enthalten, obwohl beide typischerweise als Kontext bzw. als Hilfsmittel für den Unterricht verwendet werden. Drittens wurde eine Delphi-Studie durchgeführt, um die Erwartungen von Stakeholder in Bezug darauf zu untersuchen, was Lehrpersonen in Weiterbildungsprogrammen zur Teilchenphysik lernen sollten. Über 100 Stakeholder aus 41 Ländern vertraten vier Stakeholder-Gruppen, nämlich FachdidaktikerInnen, FachwissenschaftlerInnen, RegierungsvertreterInnen und Lehrpersonen. Das Ergebnis der Studie ist eine Rangliste der 13 wichtigsten Themen, die in Fortbildungsprogrammen für Teilchenphysik behandelt werden sollten. Die am höchsten bewerteten Themen waren Kosmologie, das Standardmodell der Teilchenphysik und Anwendungen der Teilchenphysik. Alle Stakeholder-Gruppen waren sich über die Gesamtwertung der Themen einig. Während die am höchsten bewerteten Themen wiederum eher theoretischer Natur waren, erwarten die Stakeholder auch, dass Lehrpersonen etwas über experimentelle Teilchenphysik Themen lernen, die mit mittlerer Bedeutung eingestuft wurden. Mit den drei Studien wurden zwei Forschungsziele dieses Promotionsprojekts verfolgt. Das erste Forschungsziel bestand darin, zu untersuchen, inwiefern die Teilchenphysik in den Physiklehrplänen für die Oberstufe behandelt wird. Der Vergleich der Ergebnisse der Lehrplananalyse und der Expert Concept Map zeigte, dass die Lehrpläne deutlich weniger abdecken als das, was ExpertInnen von OberstufenschülerInnen über Teilchenphysik erwarten. Beispielsweise enthalten die meisten Lehrpläne keine Konzepte, die der experimentellen Teilchenphysik zugeordnet werden können. Die vielfältigen Verbindungen zwischen den verschiedenen Konzepten zeigen jedoch, dass die experimentelle Teilchenphysik als Kontext für Konzepte der theoretischen Teilchenphysik, Nature of Science und andere Lehrplanthemen verwendet werden kann. Auf diese Weise kann die Teilchenphysik im Unterricht eingeführt werden, selbst wenn diese (noch) nicht explizit im jeweiligen Lehrplan erwähnt wird. Das zweite Forschungsziel bestand darin, herauszufinden, welche Aspekte des Fachwissens Lehrpersonen über Teilchenphysik vermittelt werden sollen. Der Vergleich der Ergebnisse der Delphi-Studie mit den Resultaten der Lehrplananalyse und der Expert Concept Map zeigte, dass die Stakeholder im Allgemeinen erwarten, dass Lehrpersonen ihr Schulwissen im Sinne der Lehrpläne erweitern. Darüber hinaus wird von den Lehrpersonen erwartet, dass sie ihr Schulwissen vertiefen, indem sie lernen, wie sie Konzepte aus ihrem Schulwissen mit anderen Konzepten der Teilchenphysik verbinden können. Fortbildungsprogramme, die den Schwerpunkt auf die Verbesserung des Schulwissens und des vertieften Schulwissens der Lehrpersonen legen, unterstützen somit bestmöglich die Lehrpersonen beim Aufbau relevanter Zusammenhänge für ihren Unterricht. Insgesamt wurde im Rahmen dieses Promotionsprojekts der aktuelle Stand des Teilchenphysikunterrichts in der Oberstufe untersucht und es wurden Leitlinien für die künftige Aufwertung teilchenphysikalischer Inhalte in der Ausbildung von Jugendlichen und Lehrpersonen erarbeitet. Die Ergebnisse des Projekts unterstützen die aktuelle Einführung der Teilchenphysik im Oberstufenunterricht sowohl als expliziten Inhalt als auch als Kontext für andere Lehrplanthemen. Darüber hinaus ergeben sich aus der Methodik und den Ergebnissen dieses Forschungsprojekts mehrere Implikationen für Weiterbildungsprogramme und für die Physikdidaktik, die in den letzten Kapiteln dieser Dissertation diskutiert werden. KW - physics education KW - particle physics KW - high-school education KW - teacher professional development KW - Physik Lehramt KW - Teilchenphysik KW - Lehrerfortbildung Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-560260 ER - TY - GEN A1 - Li, Yongge A1 - Mei, Ruoxing A1 - Xu, Yong A1 - Kurths, Jürgen A1 - Duan, Jinqiao A1 - Metzler, Ralf T1 - Particle dynamics and transport enhancement in a confined channel with position-dependent diffusivity T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - This work focuses on the dynamics of particles in a confined geometry with position-dependent diffusivity, where the confinement is modelled by a periodic channel consisting of unit cells connected by narrow passage ways. We consider three functional forms for the diffusivity, corresponding to the scenarios of a constant (D ₀), as well as a low (D ₘ) and a high (D d) mobility diffusion in cell centre of the longitudinally symmetric cells. Due to the interaction among the diffusivity, channel shape and external force, the system exhibits complex and interesting phenomena. By calculating the probability density function, mean velocity and mean first exit time with the Itô calculus form, we find that in the absence of external forces the diffusivity D d will redistribute particles near the channel wall, while the diffusivity D ₘ will trap them near the cell centre. The superposition of external forces will break their static distributions. Besides, our results demonstrate that for the diffusivity D d, a high dependence on the x coordinate (parallel with the central channel line) will improve the mean velocity of the particles. In contrast, for the diffusivity D ₘ, a weak dependence on the x coordinate will dramatically accelerate the moving speed. In addition, it shows that a large external force can weaken the influences of different diffusivities; inversely, for a small external force, the types of diffusivity affect significantly the particle dynamics. In practice, one can apply these results to achieve a prominent enhancement of the particle transport in two- or three-dimensional channels by modulating the local tracer diffusivity via an engineered gel of varying porosity or by adding a cold tube to cool down the diffusivity along the central line, which may be a relevant effect in engineering applications. Effects of different stochastic calculi in the evaluation of the underlying multiplicative stochastic equation for different physical scenarios are discussed. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 974 KW - diffusion KW - channel KW - space-dependent diffusivity Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-474542 SN - 1866-8372 IS - 974 ER - TY - JOUR A1 - Li, Yongge A1 - Mei, Ruoxing A1 - Xu, Yong A1 - Kurths, Jürgen A1 - Duan, Jinqiao A1 - Metzler, Ralf T1 - Particle dynamics and transport enhancement in a confined channel with position-dependent diffusivity JF - New Journal of Physics N2 - This work focuses on the dynamics of particles in a confined geometry with position-dependent diffusivity, where the confinement is modelled by a periodic channel consisting of unit cells connected by narrow passage ways. We consider three functional forms for the diffusivity, corresponding to the scenarios of a constant (D ₀), as well as a low (D ₘ) and a high (D d) mobility diffusion in cell centre of the longitudinally symmetric cells. Due to the interaction among the diffusivity, channel shape and external force, the system exhibits complex and interesting phenomena. By calculating the probability density function, mean velocity and mean first exit time with the Itô calculus form, we find that in the absence of external forces the diffusivity D d will redistribute particles near the channel wall, while the diffusivity D ₘ will trap them near the cell centre. The superposition of external forces will break their static distributions. Besides, our results demonstrate that for the diffusivity D d, a high dependence on the x coordinate (parallel with the central channel line) will improve the mean velocity of the particles. In contrast, for the diffusivity D ₘ, a weak dependence on the x coordinate will dramatically accelerate the moving speed. In addition, it shows that a large external force can weaken the influences of different diffusivities; inversely, for a small external force, the types of diffusivity affect significantly the particle dynamics. In practice, one can apply these results to achieve a prominent enhancement of the particle transport in two- or three-dimensional channels by modulating the local tracer diffusivity via an engineered gel of varying porosity or by adding a cold tube to cool down the diffusivity along the central line, which may be a relevant effect in engineering applications. Effects of different stochastic calculi in the evaluation of the underlying multiplicative stochastic equation for different physical scenarios are discussed. KW - diffusion KW - channel KW - space-dependent diffusivity Y1 - 2020 U6 - https://doi.org/10.1088/1367-2630/ab81b9 SN - 1367-2630 VL - 22 PB - Dt. Physikalische Ges. CY - Bad Honnef ER - TY - JOUR A1 - Glanemann, Nicole A1 - Willner, Sven N. A1 - Levermann, Anders T1 - Paris Climate Agreement passes the cost-benefit test JF - Nature Communications N2 - The Paris Climate Agreement aims to keep temperature rise well below 2 degrees C. This implies mitigation costs as well as avoided climate damages. Here we show that independent of the normative assumptions of inequality aversion and time preferences, the agreement constitutes the economically optimal policy pathway for the century. To this end we consistently incorporate a damage-cost curve reproducing the observed relation between temperature and economic growth into the integrated assessment model DICE. We thus provide an intertemporally optimizing cost-benefit analysis of this century's climate problem. We account for uncertainties regarding the damage curve, climate sensitivity, socioeconomic future, and mitigation costs. The resulting optimal temperature is robust as can be understood from the generic temperature-dependence of the mitigation costs and the level of damages inferred from the observed temperature-growth relationship. Our results show that the politically motivated Paris Climate Agreement also represents the economically favourable pathway, if carried out properly. Y1 - 2020 U6 - https://doi.org/10.1038/s41467-019-13961-1 SN - 2041-1723 VL - 11 IS - 1 PB - Nature Publishing Group CY - London ER - TY - JOUR A1 - Mazzio, Katherine A. A1 - Kojda, Sandrino Danny A1 - Rubio-Govea, Rodrigo A1 - Niederhausen, Jens A1 - Ryll, Britta A1 - Raja-Thulasimani, Monika A1 - Habicht, Klaus A1 - Raoux, Simone T1 - P-type-to-n-type transition in hybrid AgxTe/PEDOT:PSS thermoelectric materials via stoichiometric control during solution-based synthesis JF - ACS applied energy materials N2 - This work demonstrates the production of high-performing p- type and n-type hybrid AgxTe/poly(3,4-ethylenedioxythiopene):polystyrene sulfonic acid (PE-DOT:PSS) thermoelectric materials from the same Te/PEDOT:PSS parent structure during aqueous-based synthesis. All samples were solution-processed and analyzed in thin- film architectures. We were able to demonstrate a power factor of 44 mu W m(-1) K-2 for our highest-performing n-type material. In addition, we were also able to realize a 68% improvement in the power factor of our p-type compositions relative to the parent structure through manipulation of the inorganic nanostructure composition. We demonstrate control over the thermoelectric properties by varying the stoichiometry of AgxTe nanoparticles in AgxTe/PEDOT:PSS hybrid materials via a topotactic chemical transformation process at room temperature. This process offers a simple, low-temperature, and cost-effective route toward the production of both efficient n-type and p-type hybrid thermoelectric materials. KW - thermoelectrics KW - hybrid material KW - PEDOT:PSS KW - tellurium KW - silver KW - telluride KW - hybrid synthesis Y1 - 2020 U6 - https://doi.org/10.1021/acsaem.0c01774 SN - 2574-0962 VL - 3 IS - 11 SP - 10734 EP - 10743 PB - ACS Publications CY - Washington, DC ER - TY - GEN A1 - Ye, Fangyuan A1 - Zhang, Shuo A1 - Warby, Jonathan A1 - Wu, Jiawei A1 - Gutierrez-Partida, Emilio A1 - Lang, Felix A1 - Shah, Sahil A1 - Saglamkaya, Elifnaz A1 - Sun, Bowen A1 - Zu, Fengshuo A1 - Shoaee, Safa A1 - Wang, Haifeng A1 - Stiller, Burkhard A1 - Neher, Dieter A1 - Zhu, Wei-Hong A1 - Stolterfoht, Martin A1 - Wu, Yongzhen T1 - Overcoming C₆₀-induced interfacial recombination in inverted perovskite solar cells by electron-transporting carborane T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Inverted perovskite solar cells still suffer from significant non-radiative recombination losses at the perovskite surface and across the perovskite/C₆₀ interface, limiting the future development of perovskite-based single- and multi-junction photovoltaics. Therefore, more effective inter- or transport layers are urgently required. To tackle these recombination losses, we introduce ortho-carborane as an interlayer material that has a spherical molecular structure and a three-dimensional aromaticity. Based on a variety of experimental techniques, we show that ortho-carborane decorated with phenylamino groups effectively passivates the perovskite surface and essentially eliminates the non-radiative recombination loss across the perovskite/C₆₀ interface with high thermal stability. We further demonstrate the potential of carborane as an electron transport material, facilitating electron extraction while blocking holes from the interface. The resulting inverted perovskite solar cells deliver a power conversion efficiency of over 23% with a low non-radiative voltage loss of 110 mV, and retain >97% of the initial efficiency after 400 h of maximum power point tracking. Overall, the designed carborane based interlayer simultaneously enables passivation, electron-transport and hole-blocking and paves the way toward more efficient and stable perovskite solar cells. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1317 Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-587705 SN - 1866-8372 IS - 1317 ER - TY - JOUR A1 - Ye, Fangyuan A1 - Zhang, Shuo A1 - Warby, Jonathan A1 - Wu, Jiawei A1 - Gutierrez-Partida, Emilio A1 - Lang, Felix A1 - Shah, Sahil A1 - Saglamkaya, Elifnaz A1 - Sun, Bowen A1 - Zu, Fengshuo A1 - Shoai, Safa A1 - Wang, Haifeng A1 - Stiller, Burkhard A1 - Neher, Dieter A1 - Zhu, Wei-Hong A1 - Stolterfoht, Martin A1 - Wu, Yongzhen T1 - Overcoming C₆₀-induced interfacial recombination in inverted perovskite solar cells by electron-transporting carborane JF - Nature Communications N2 - Inverted perovskite solar cells still suffer from significant non-radiative recombination losses at the perovskite surface and across the perovskite/C₆₀ interface, limiting the future development of perovskite-based single- and multi-junction photovoltaics. Therefore, more effective inter- or transport layers are urgently required. To tackle these recombination losses, we introduce ortho-carborane as an interlayer material that has a spherical molecular structure and a three-dimensional aromaticity. Based on a variety of experimental techniques, we show that ortho-carborane decorated with phenylamino groups effectively passivates the perovskite surface and essentially eliminates the non-radiative recombination loss across the perovskite/C₆₀ interface with high thermal stability. We further demonstrate the potential of carborane as an electron transport material, facilitating electron extraction while blocking holes from the interface. The resulting inverted perovskite solar cells deliver a power conversion efficiency of over 23% with a low non-radiative voltage loss of 110 mV, and retain >97% of the initial efficiency after 400 h of maximum power point tracking. Overall, the designed carborane based interlayer simultaneously enables passivation, electron-transport and hole-blocking and paves the way toward more efficient and stable perovskite solar cells. Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1038/s41467-022-34203-x SN - 2041-1723 VL - 13 IS - 1 PB - Springer Nature CY - London ER - TY - JOUR A1 - Robrade, Jan A1 - Oskinova, Lidia M. A1 - Schmitt, J. H. M. M. A1 - Leto, Paolo A1 - Trigilio, C. T1 - Outstanding X-ray emission from the stellar radio pulsar CU Virginis JF - Astronomy and astrophysics : an international weekly journal N2 - Context. Among the intermediate-mass magnetic chemically peculiar (MCP) stars, CU Vir is one of the most intriguing objects. Its 100% circularly polarized beams of radio emission sweep the Earth as the star rotates, thereby making this strongly magnetic star the prototype of a class of nondegenerate stellar radio pulsars. While CU Vir is well studied in radio, its high-energy properties are not known. Yet, X-ray emission is expected from stellar magnetospheres and confined stellar winds. Aims. Using X-ray data we aim to test CU Vir for intrinsic X-ray emission and investigate mechanisms responsible for its generation. Methods. We present X-ray observations performed with XMM-Newton and Chandra and study obtained X-ray images, light curves, and spectra. Basic X-ray properties are derived from spectral modelling and are compared with model predictions. In this context we investigate potential thermal and nonthermal X-ray emission scenarios. Results. We detect an X-ray source at the position of CU Vir. With LX approximate to 3 x 10(28) erg s(-1) it is moderately X-ray bright, but the spectrum is extremely hard compared to other Ap stars. Spectral modelling requires multi-component models with predominant hot plasma at temperatures of about T-X = 25MK or, alternatively, a nonthermal spectral component. Both types of model provide a virtually equivalent description of the X-ray spectra. The Chandra observation was performed six years later than those by XMM-Newton, yet the source has similar X-ray flux and spectrum, suggesting a steady and persistent X-ray emission. This is further confirmed by the X-ray light curves that show only mild X-ray variability. Conclusions. CU Vir is also an exceptional star at X-ray energies. To explain its full X-ray properties, a generating mechanism beyond standard explanations, like the presence of a low-mass companion or magnetically confined wind-shocks, is required. Magnetospheric activity might be present or, as proposed for fast-rotating strongly magnetic Bp stars, the X-ray emission of CU Vir is predominantly auroral in nature. KW - individual: CU Vir KW - stars: activity KW - stars: chemically peculiar KW - stars: magnetic field KW - X-rays: stars Y1 - 2018 U6 - https://doi.org/10.1051/0004-6361/201833492 SN - 1432-0746 VL - 619 PB - EDP Sciences CY - Les Ulis ER - TY - JOUR A1 - Hindes, Jason A1 - Assaf, Michael A1 - Schwartz, Ira B. T1 - Outbreak size distribution in stochastic epidemic models JF - Physical review letters N2 - Motivated by recent epidemic outbreaks, including those of COVID-19, we solve the canonical problem of calculating the dynamics and likelihood of extensive outbreaks in a population within a large class of stochastic epidemic models with demographic noise, including the susceptible-infected-recovered (SIR) model and its general extensions. In the limit of large populations, we compute the probability distribution for all extensive outbreaks, including those that entail unusually large or small (extreme) proportions of the population infected. Our approach reveals that, unlike other well-known examples of rare events occurring in discrete-state stochastic systems, the statistics of extreme outbreaks emanate from a full continuum of Hamiltonian paths, each satisfying unique boundary conditions with a conserved probability flux. Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.078301 SN - 0031-9007 SN - 1079-7114 SN - 1092-0145 VL - 128 IS - 7 PB - American Physical Society CY - College Park, Md. ER - TY - JOUR A1 - Milde, Peter A1 - Langenhorst, Malte A1 - Hölscher, Hendrik A1 - Rottmann-Matthes, Jens A1 - Hundertmark, Dirk A1 - Eng, Lukas A1 - Hoffmann-Vogel, Regina T1 - Out-of-equilibrium optomechanical resonance self-excitation JF - Journal of applied physics N2 - The fundamental sensitivity limit of atomic force microscopy is strongly correlated to the thermal noise of cantilever oscillation. A method to suppress this unwanted noise is to reduce the bandwidth of the measurement, but this approach is limited by the speed of the measurement and the width of the cantilever resonance, commonly defined through the quality factor Q. However, it has been shown that optomechanical resonances in interferometers might affect cantilever oscillations resulting in an effective quality factor Q(eff). When the laser power is sufficiently increased cantilever oscillations might even reach the regime of self-oscillation. In this self-oscillation state, the noise of the system is partially determined by the interaction with laser light far from equilibrium. Here, we show and discuss how tuning of laser power leads to nonlinear optomechanical effects that can dramatically increase the effective quality factor of the cantilever leading to out-of-equilibrium noise. We model the effects using a fourth order nonlinearity of the damping coefficient. Published under an exclusive license by AIP Publishing. KW - Electrical properties and parameters KW - Ultra-high vacuum KW - Electronic noise KW - Signal processing KW - Noise floor KW - Atomic force microscopy KW - Hooke's law KW - Interferometry KW - Optical resonators KW - Thermo optic effects Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.1063/5.0054509 SN - 0021-8979 SN - 1089-7550 VL - 130 IS - 3 PB - American Institute of Physics CY - Melville ER - TY - JOUR A1 - Krivenkov, Maxim A1 - Marchenko, Dimitry A1 - Sánchez-Barriga, Jaime A1 - Golias, Evangelos A1 - Rader, Oliver A1 - Varykhalov, Andrei T1 - Origin of the band gap in Bi-intercalated graphene on Ir(111) JF - 2D Materials N2 - Proximity to heavy sp-elements is considered promising for reaching a band gap in graphene that could host quantum spin Hall states. The recent report of an induced spin-orbit gap of 0.2 eV in Pb-intercalated graphene detectable by spin-resolved photoemission has spurred renewed interest in such systems (Klimovskikh et al 2017 ACS Nano 11, 368). In the case of Bi intercalation an even larger band gap of 0.4 eV has been observed but was assigned to the influence of a dislocation network (Warmuth et al 2016 Phys. Rev. B 93, 165 437). Here, we study Bi intercalation under graphene on Ir(111) and report a nearly ideal graphene dispersion without band replicas and no indication of hybridization with the substrate. The band gap is small (0.19 eV) and can be tuned by +/- 25 meV through the Bi coverage. The Bi atomic density is higher than in the recent report. By spin-resolved photoemission we exclude induced spin-orbit interaction as origin of the gap. Quantitative agreement of a photoemission intensity analysis with the measured band gap suggests sublattice symmetry breaking as one of the possible band gap opening mechanisms. We test several Bi structures by density functional theory. Our results indicate the possibility that Bi intercalates in the phase of bismuthene forming a graphene-bismuthene van der Waals heterostructure. KW - graphene KW - bismuth KW - Ir(111) KW - spin-orbit interaction KW - ARPES KW - STM KW - bismuthene Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.1088/2053-1583/abd1e4 SN - 2053-1583 VL - 8 IS - 3 PB - IOP Publ. Ltd. CY - Bristol ER - TY - THES A1 - Gostkowska-Lekner, Natalia Katarzyna T1 - Organic-inorganic hybrids based on P3HT and mesoporous silicon for thermoelectric applications T1 - Organisch-anorganische Hybride basierend auf P3HT und porösem Silizium für thermoelektrische Anwendungen N2 - This thesis presents a comprehensive study on synthesis, structure and thermoelectric transport properties of organic-inorganic hybrids based on P3HT and porous silicon. The effect of embedding polymer in silicon pores on the electrical and thermal transport is studied. Morphological studies confirm successful polymer infiltration and diffusion doping with roughly 50% of the pore space occupied by conjugated polymer. Synchrotron diffraction experiments reveal no specific ordering of the polymer inside the pores. P3HT-pSi hybrids show improved electrical transport by five orders of magnitude compared to porous silicon and power factor values comparable or exceeding other P3HT-inorganic hybrids. The analysis suggests different transport mechanisms in both materials. In pSi, the transport mechanism relates to a Meyer-Neldel compansation rule. The analysis of hybrids' data using the power law in Kang-Snyder model suggests that a doped polymer mainly provides charge carriers to the pSi matrix, similar to the behavior of a doped semiconductor. Heavily suppressed thermal transport in porous silicon is treated with a modified Landauer/Lundstrom model and effective medium theories, which reveal that pSi agrees well with the Kirkpatrick model with a 68% percolation threshold. Thermal conductivities of hybrids show an increase compared to the empty pSi but the overall thermoelectric figure of merit ZT of P3HT-pSi hybrid exceeds both pSi and P3HT as well as bulk Si. N2 - Diese Arbeit präsentiert eine umfassende Studie über Synthese, Struktur und thermoelektrische Transporteigenschaften von organisch-anorganischen Hybriden basierend auf P3HT und porösem Silizium. Es wird die Auswirkung der Einbettung von Polymerin Siliziumporen auf den elektrischen und thermischen Transport untersucht. Morphologische Studien bestätigen eine erfolgreiche Polymerinfiltration und Diffusionsdotierung, wobei etwa 50% des Porenraums mit konjugiertem Polymer gefüllt sind. Synchrotronexperimente zeigen keine spezifische Ordnung des Polymers innerhalb der Poren. P3HT-pSi-Hybride zeigen einen um fünf Größenordnungen verbesserten elektrischen Transport im Vergleich zu porösem Silizium und sogenannte Powerfaktoren, die mit anderen P3HT-anorganischen Hybriden vergleichbar sind oder diese übertreffen. Die Analyse lässt auf unterschiedliche Transportmechanismen in beiden Materialien schließen. In pSi bezieht sich der Transportmechanismus auf eine Meyer-Neldel-{Kompensa\-tionsregel}. Die Analyse der Hybriddaten unter Verwendung des Potenzgesetzes im Kang-Snyder-Modell legt nahe, dass ein dotiertes Polymer hauptsächlich Ladungsträger für die pSi-Matrix bereitstellt, ähnlich dem Verhalten eines {dotier\-ten} Halbleiters. Der stark unterdrückte Wärmetransport in porösem Silizium wird mit einem modifizierten Landauer/Lundstrom-Modell und Effektivmediumtheorien behandelt, die zeigen, dass pSi mit einem Perkolationsschwellenwert von 68% gut mit dem Kirkpatrick-Modell übereinstimmt. Die {Wärmeleitfähigkei\-ten} von Hybriden zeigen einen Anstieg im Vergleich zum leeren pSi, aber der gesamte thermoelektrische Gütefaktor ZT des P3HT-pSi-Hybrids übertrifft sowohl pSi und P3HT als auch den von Bulk-Si. KW - physics KW - energy KW - thermoelectricity KW - organic-inorganic hybrids KW - Energie KW - organisch-anorganische Hybride KW - Physik KW - Thermoelektrizität Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-620475 ER - TY - JOUR A1 - Samson, Stephanie A1 - Rech, Jeromy A1 - Perdigón-Toro, Lorena A1 - Peng, Zhengxing A1 - Shoaee, Safa A1 - Ade, Harald A1 - Neher, Dieter A1 - Stolterfoht, Martin A1 - You, Wei T1 - Organic solar cells with large insensitivity to donor polymer molar mass across all acceptor classes JF - ACS applied polymer materials N2 - Donor polymer number-average molar mass (M-n) has long been known to influence organic photovoltaic (OPV) performance via changes in both the polymer properties and the resulting bulk heterojunction morphology. The exact nature of these M-n effects varies from system to system, although there is generally some intermediate M-n that results in optimal performance. Interestingly, our earlier work with the difluorobenzotriazole (FTAZ)-based donor polymer, paired with either N2200 (polymer acceptor) or PC61BM (fullerene acceptor), PcBm demonstrated <10% variation in power conversion efficiency and a consistent morphology over a large span of M-n (30 kg/mol to over 100 kg/mol). Would such insensitivity to polymer M-n still hold true when prevailing small molecular acceptors were used with FTAZ? To answer this question, we explored the impact of FTAZ on OPVs with ITIC, a high-performance small-molecule fused-ring electron acceptor (FREA). By probing the photovoltaic characteristics of the resulting OPVs, we show that a similar FTAZ mn insensitivity is also found in the FTAZ:ITIC system. This study highlights a single-donor polymer which, when paired with an archetypal fullerene, polymer, and FREA, results in systems that are largely insensitive to donor M. Our results may have implications in polymer batch-to-batch reproducibility, in particular, relaxing the need for tight M-n control during synthesis. KW - polymer solar cells KW - conjugated polymers KW - fullerenes KW - fluorination KW - molecular weight KW - non-fullerene acceptors KW - power conversion efficiency Y1 - 2020 U6 - https://doi.org/10.1021/acsapm.0c01041 SN - 2637-6105 VL - 2 IS - 11 SP - 5300 EP - 5308 PB - American Chemical Society CY - Washington ER - TY - THES A1 - Mikat, Jürgen E. R. T1 - Optische und schwingungsspektroskopische Hochdruckuntersuchungen von Ladungsträgereigenschaften in herkömmlich und nach der Template-Methode synthetisierten leitfähigen Polypyrrolschichten N2 - Chemisch dotiertes Polypyrrol gilt als Modellsubstanz für leitfähige Polymere mit nichtdegeneriertem Grundzustand. Das elektrische Transportverhalten in dotiertem Polypyrrol wird durch lokalisierte Ladungsträger, Bipolaronen und Polaronen, bestimmt. Es besteht dabei eine enge gegenseitige Wechselwirkung zwischen der Struktur der Polymerkette und den Eigenschaften der Ladungsträger. Die in dieser Arbeit vorgestellte Kombination von Hochdruckmethodik und optischer Spektroskopie vertieft das Verständnis der Beziehung zwischen der molekularen und supramolekularen Struktur und den elektronischen und optischen Eigenschaften. Durch spezifische Synthesemethoden lassen sich unterschiedliche Strukturen in der polymeren Probe induzieren, die sich durch den Anteil an hochgeordneten Polymerketten unterscheiden. Die gezielte Veränderung dieser Strukturen durch Druckexperimente ermöglicht das Studium des Einflusses der Synthesemethoden auf die Ladungsträgereigenschaften. Für diese Studien wurden herkömmlich synthetisierte Polypyrrol-Filme und Filme, die sich aus Polypyrrol-Nanoröhren zusammensetzen (Synthese in Kernspur-membranen, "Template-Synthese") bei ansonsten gleichen Syntheseparametern untersucht. Raman- und Infrarotspektroskopie sowie UV-Vis-NIR-Absorptionsspektroskopie, die jeweils für die Hochdruckmethodik adaptiert wurden, dienten der Charakterisierung der Proben. Zusätzlich wurden temperatur- und druckabhängige Messungen des elektrischen Widerstands an den Template-Proben durchgeführt. Die Morphologie template-synthetisierter Polypyrrol-Nanoröhren und die filmbildenden Eigenschaften sowie der mögliche Aufbau von Schichtarchitekturen wurden mit transmissions- und rasterelektronenmikroskopischen Techniken untersucht. Die aus den Hochdruckexperimenten gewonnenen Daten werden in der Arbeit im Hinblick auf die Stabilität der Ladungsträger interpretiert. Im Ergebnis bewirkt die Druckerhöhung eine Dissoziation der Bipolaronen in den untersuchten Proben. Das Ladungsträger-gleichgewicht verschiebt sich dadurch mit steigendem Druck zu Zuständen mit höherem Anteil an polaronischen Ladungsträgern. Die Template-Synthese bewirkt gegenüber herkömmlich synthetisierten Proben einen höheren Anteil an Polaronen bereits bei Normaldruck, und eine Lage des Systems näher bei einem Isolator-Metall-Übergang. Die Dissoziationsrate der Bipolaronen ist für Template- und herkömmlich synthetisierte Proben vergleichbar groß und unabhängig vom Initialzustand nach der Synthese. Dieses Verhalten der Ladungsträger wird weitergehend im Rahmen eines Modells untersucht, bei dem der Einfluß benachbarter Polymerketten und der Dotandionen berücksichtigt wird. Dementsprechend können sich die Wellenfunktionen der Ladungsträger unter bestimmten Bedingungen auch auf benachbarte Ketten erstrecken (transversale Polaronen bzw. Bipolaronen). Eine solche Ausdehnung der Wellenfunktionen unter Mitwirkung der Dotandionen wurde in den untersuchten Proben nicht festgestellt. Die Wellenfunktionen der Ladungsträger besitzen demnach hauptsächlich Komponenten entlang der Polymerkette (longitudinale Polaronen bzw. Bipolaronen). Aus der Änderungsrate druckabhängiger spektraler Charakteristiken lassen sich Aussagen über den Ordnungszustand der Probe ableiten. Diese auf experimentellem Wege gefundenen Ergebnisse liefern somit Hinweise für die bisher kontrovers diskutierte Koexistenz der beiden Ladungsträgerarten Polaronen und Bipolaronen und die Größe ihrer jeweiligen Bindungsenergien. Druckerhöhung und Template-Synthese bewirken analoge Änderungen der Polymerstruktur. Sowohl höherer Druck wie auch die Template-Synthese lassen sich mit einem höheren Ordnungsgrad in den Template-Proben korrelieren. Der Ladungstransport in den Proben kann durch ein Mott Variable Range Hopping-Modell mit druckabhängiger charakteristischer Dimension beschrieben werden. Die Erhöhung des Drucks bewirkt einen Anstieg der Dimension, eine bessere Überlappung der Wellenfunktionen der Ladungsträger und eine Vergrößerung der Lokalisierungslänge der Ladungsträger. Die druckinduzierte Dissoziation der Bipolaronen beeinflußt den Ladungstransport zusätzlich durch Erhöhung der Anzahl unabhängiger Ladungsträger und verbessert diesen aufgrund stärkerer Überlappung der Wellenfunktionen. Template-Proben niedriger Synthesetemperatur zeigen bei Normaldruck eine höhere Dimension des Mott Variable Range Hoppings und eine größere Lokalisierungslänge gegenüber bei Raumtemperatur synthetisierten Proben. Kürzere Synthesezeiten bewirken einen Anstieg der Dimension bei Normaldruck und eine Verschiebung des Dimensionscrossovers zu niedrigeren Temperaturen. Template-Proben kurzer Synthesezeit zeigen geringere druckinduzierte Änderungen als solche mit langer Synthesezeit. Es wurde ein kontinuierliches Ordnungsmodell der Polypyrrol-Nanoröhren entwickelt, das dieses Verhalten beschreibt. Die Morphologie und die mechanischen Eigenschaften der Nanoröhren werden durch spezifische Syntheseparameter, wie Temperatur und Dauer, beeinflußt und können mit Transmissions- und Rasterelektronenmikroskopie beobachtet werden. Die filmbildenden Eigenschaften der Röhren hängen stark von diesen mechanischen Eigenschaften ab. Die Struktur der Filme kann dabei von einer unregelmäßigen Anordnung der Röhren bis zu nahezu parallel ausgerichteten Röhren variieren. Es wurden Möglichkeiten untersucht, die Röhren in den Filmen zu orientieren und aus diesen Filmen durch Schichtung makroskopische Architekturen mit einem hohen Grad an orientierten Röhren aufzubauen. Solche Architekturen können für verschiedene Anwendungen, z.B. in elektronischen Bauteilen oder mikroskopischen Bioreaktoren, von Interesse sein. N2 - Chemically doped polypyrrole is a model substance for conducting polymers with non-degenerate ground state. The electrical transport behaviour in doped polypyrrole is determined by localised charge carriers, polarons and bipolarons, respectively. A strong interaction between the structure of the polymer chain and the properties of the carriers exists. In this work the applicability of the combination of high pressure techniques with spectroscopy in the visible spectral range is demonstrated to improve the understanding of the relationship between the molecular and supramolecular structure and the electronic and optical properties. The use of specific synthesis methods allows the induction of different structures in the polymeric sample. These structures possess different amounts of highly ordered polymer chains. High pressure experiments are a suitable method to influence the structures in a controlled manner. In this way the effect of the different synthesis methods on the charge carrier properties can be studied. For these investigations polypyrrole films synthesised by ordinary chemical synthesis and films build up of template synthesised polypyrrole nanotubules, respectively, were fabricated under the same chemical synthesis conditions. The characterisation of the samples was carried out by Raman and infrared spectroscopy as well as optical absorption spectroscopy. All spectroscopic methods were adapted for high pressure techniques. Additionally, temperature and pressure dependent measurements of the electrical resistance were performed on the template synthesised samples. The morphology of polypyrrole nanotubules and films consisting of nanotubules as well as architectures built up from these films were examined by transmission and scanning electron microscopy. The data obtained from the high pressure experiments are interpreted in view of the stability of the charge carriers. One result is the dissoziation of bipolarons upon pressure increase in the samples under investigation with increasing pressure. The charge carrier equilibrium is shifted to states with larger amount of polarons. Template synthesis, compared with ordinarily synthesised samples, results in a larger amount of polarons at ambient pressure and a position of the samples closer to an insulator-metal transition. The dissoziation rate of bipolarons in template and ordinary synthesised samples is comparable and independent of the initial state after completed synthesis procedure. This behaviour of the charge carriers is further investigated in the frame of a model which takes the influence of neighbouring polymer chains and of dopant ions into considerations. According to this model, the wave functions of the charge carriers are also allowed to extend on neighboured chains under certain conditions (transverse polarons or bipolarons, respectively). Such an expansion of the wave functions where dopant ions act as mediating bridges of lower potential cannot be observed in the samples under investigation. Hence, the wave functions of the charge carriers contain mainly components along the polymer chain (longitudinal polarons or bipolarons, respectively). From the alteration rate of pressure dependent spectral characteristics information can be gained on the state of order in the samples. These experimental results deliver hints for the up to now controversial discussion on the coexistence of the charge carrier species polarons and bipolarons and the magnitude of their binding energies. Pressure increase and template synthesis yield analogous changes of the polymer structure. High pressure as well as template synthesis can be correlated with a higher degree of order in the samples. The charge carrier transport in the samples can be described by a Mott Variable Range Hopping model with a pressure dependent characteristic dimension. The increase of pressure results in an increasing dimension, a larger overlap of the wave function of the charge carriers and an increase of their localisation length. Additionally, pressure induced dissoziation of bipolarons improves the charge carrier transport by increasing the amount of independent charge carriers and larger overlap of the wave functions. Template synthesised samples prepared at lower synthesis temperature show a higher dimension of the Mott Variable Range Hopping and a larger localisation length than samples synthesised at room temperature. Shorter synthesis time results in an increase of the characteristic dimension at ambient pressure and a shift of the dimensional crossover to lower temperatures. Also, these samples show smaller pressure induced changes compared to samples with longer synthesis time. A model is developed describing this behaviour in the frame of a continuous order change in polypyrrole nanotubules. The morphology and the mechanical properties of the template synthesised nanotubules are influenced by specific synthesis parameters, e.g. temperature and duration, as can be observed by transmission and scanning electron microscopy. The resulting films formed by the tubules strongly depend on these mechanical properties. The structure of the films can vary between disordered arrangement and almost parallel orientation of the tubules. The possibilities for orienting of the individual tubules in films and for building macroscopic architectures by subsequent stacking of those films were investigated. Such architectures are interesting from an application point of view e.g. in electronic devices and microscopic bioreactors. KW - leitfähige Polymere KW - Hochdruck KW - Schwingungsspektroskopie KW - Absorptionsspektroskopie KW - Transmissionselektronenmikroskopie KW - Polypyrrol KW - Ladungsträger KW - P Y1 - 2001 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0000069 ER - TY - GEN A1 - Regenstein, Wolfgang T1 - Optische Spektroskopie dünner organischer Schichten in Stichpunkten T1 - Optical spectroscopy of thin organic layers in bullet points N2 - Es wird ein Überblick über verschiedene spektroskopische Techniken, mit denen dünne organische Schichten, wie sie in der Fotovoltaik, bei Leuchtdioden oder organischen Halbleitern Anwendung finden, gegeben. Mit einfachen Zusatzgeräten lassen sich Schichtdicke, Schichtaufbau und Zusammensetzung untersuchen. Die Schichtdicke kann monomolekular sein. Unter bestimmten Voraussetzungen sind einzelne Moleküle in einer Schicht charakterisierbar. N2 - An overview of various spectroscopic techniques with thin organic layers, such as those used in photovoltaics, light emitting diodes or find organic semiconductors application given. Layer thickness, layer structure and composition can be examined with simple additional equipment. The layer thickness can be monomolecular. Under certain conditions, individual molecules in a layer can be characterized. KW - dünne organische Schichten KW - thin organic layers KW - Techniken der optischen Spektroskopie: IR-Absorption KW - techniques of optical spectroscopy: IR absorption KW - Fluoreszenz KW - fluorescence KW - RAMAN-Spektroskopie KW - RAMAN spectroscopy KW - Einzelmolekülspektroskopie KW - individual molecules spectroscopy Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-608135 ER - TY - JOUR A1 - Mau, Erik Thomas Klaus A1 - Rosenblum, Michael T1 - Optimizing charge-balanced pulse stimulation for desynchronization JF - Chaos : an interdisciplinary journal of nonlinear science N2 - Collective synchronization in a large population of self-sustained units appears both in natural and engineered systems. Sometimes this effect is in demand, while in some cases, it is undesirable, which calls for control techniques. In this paper, we focus on pulsatile control, with the goal to either increase or decrease the level of synchrony. We quantify this level by the entropy of the phase distribution. Motivated by possible applications in neuroscience, we consider pulses of a realistic shape. Exploiting the noisy Kuramoto-Winfree model, we search for the optimal pulse profile and the optimal stimulation phase. For this purpose, we derive an expression for the change of the phase distribution entropy due to the stimulus. We relate this change to the properties of individual units characterized by generally different natural frequencies and phase response curves and the population's state. We verify the general result by analyzing a two-frequency population model and demonstrating a good agreement of the theory and numerical simulations. Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1063/5.0070036 SN - 1054-1500 SN - 1089-7682 VL - 32 IS - 1 PB - AIP CY - Melville ER - TY - JOUR A1 - Sokolov, Andrey A1 - Huang, Qiushi A1 - Senf, Friedmar A1 - Feng, Jiangtao A1 - Lemke, Stephanie A1 - Alimov, Svyatoslav A1 - Knedel, Jeniffa A1 - Zeschke, Thomas A1 - Kutz, Oliver A1 - Seliger, Tino A1 - Gwalt, Grzegorz A1 - Schäfers, Franz A1 - Siewert, Frank A1 - Kozhevnikov, Igor A1 - Qi, Runze A1 - Zhang, Zhong A1 - Li, Wenbin A1 - Wang, Zhanshan T1 - Optimized highly efficient multilayer-coated blazed gratings for the tender X-ray region JF - Optics express : the international electronic journal of optics N2 - The optimized design of multilayer-coated blazed gratings (MLBG) for high-flux tender X-ray monochromators was systematically studied by numerical simulations. The resulting correlation between the multilayer d-spacing and grating blaze angle significantly deviated from the one predicted by conventional equations. Three high line density gratings with different blaze angles were fabricated and coated by the same Cr/C multilayer. The MLBG with an optimal blaze angle of 1.0 degrees showed a record efficiency reaching 60% at 3.1 keV and 4.1 keV. The measured efficiencies of all three gratings were consistent with calculated results proving the validity of the numerical simulation and indicating a more rigorous way to design the optimal MLBG structure. Published by The Optical Society under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 License. Y1 - 2019 U6 - https://doi.org/10.1364/OE.27.016833 SN - 1094-4087 VL - 27 IS - 12 SP - 16833 EP - 16846 PB - Optical Society of America CY - Washington ER - TY - JOUR A1 - Zaikin, Alexey A1 - Kurths, Jürgen T1 - Optimal length transportation hypothesis to model proteasome product size distribution JF - Journal of biological physics : emphasizing physical principles in biological research ; an international journal for the formulation and application of mathematical models in the biological sciences N2 - This paper discusses translocation features of the 20S proteasome in order to explain typical proteasome length distributions. We assume that the protein transport depends significantly on the fragment length with some optimal length which is transported most efficiently. By means of a simple one-channel model, we show that this hypothesis can explain both the one- and the three-peak length distributions found in experiments. A possible mechanism of such translocation is provided by so-called fluctuation-driven transport. KW - proteasome KW - protein translocation KW - stochastic process KW - ratchets Y1 - 2006 U6 - https://doi.org/10.1007/s10867-006-9014-z SN - 0092-0606 VL - 32 IS - 3-4 SP - 231 EP - 243 PB - Springer CY - Dordrecht ER - TY - THES A1 - Thielemann-Kühn, Nele T1 - Optically induced ferro- and antiferromagnetic dynamics in the rare-earth metal dysprosium T1 - Optisch induzierte ferro- und antiferromagnetische Dynamik im Seltenerdmetall Dysprosium N2 - Approaching physical limits in speed and size of today's magnetic storage and processing technologies demands new concepts for controlling magnetization and moves researches on optically induced magnetic dynamics. Studies on photoinduced magnetization dynamics and their underlying mechanisms have been primarily performed on ferromagnetic metals. Ferromagnetic dynamics bases on transfer of the conserved angular momentum connected with atomic magnetic moments out of the parallel aligned magnetic system into other degrees of freedom. In this thesis the so far rarely studied response of antiferromagnetic order to ultra-short optical laser pulses in a metal is investigated. The experiments were performed at the FemtoSpex slicing facility at the storage ring BESSY II, an unique source for ultra-short elliptically polarized x-ray pulses. Laser-induced changes of the 4f-magnetic order parameter in ferro- and antiferromagnetic dysprosium (Dy), were studied by x-ray methods, which yield directly comparable quantities. The discovered fundamental differences in the temporal and spatial behavior of ferro- and antiferrmagnetic dynamics are assinged to an additional channel for angular momentum transfer, which reduces the antiferromagnetic order by redistributing angular momentum within the non-parallel aligned magnetic system, and hence conserves the zero net magnetization. It is shown that antiferromagnetic dynamics proceeds considerably faster and more energy-efficient than demagnetization in ferromagnets. By probing antiferromagnetic order in time and space, it is found to be affected along the whole sample depth of an in situ grown 73 nm tick Dy film. Interatomic transfer of angular momentum via fast diffusion of laser-excited 5d electrons is held responsible for the out-most long-ranging effect. Ultrafast ferromagnetic dynamics can be expected to base on the same origin, which however leads to demagnetization only in regions close to interfaces caused by super-diffusive spin transport. Dynamics due to local scattering processes of excited but less mobile electrons, occur in both magnetic alignments only in directly excited regions of the sample and on slower pisosecond timescales. The thesis provides fundamental insights into photoinduced magnetic dynamics by directly comparing ferro- and antiferromagnetic dynamics in the same material and by consideration of the laser-induced magnetic depth profile. N2 - Die Geschwindigkeit und Datendichte in heutigen Technologien zur magnetischen Datenspeicherung und -verarbeitung erreichen allmählich physikalische Grenzen. Neue Konzepte zur Manipulation von Magnetisierung sind deshalb erforderlich, was die Forschung an optisch induzierter Magnetodynamik motiviert. Studien zur magnetischen Dynamik ausgelöst durch Femtosekunden-Laserpulse und die ihr zugrunde liegenden Mechanismen stützen sich vorwiegend auf ferromagnetische Metalle. Die Manipulation ferromagnetischer Ordnung basiert aufgrund physikalischer Erhaltungssätze auf dem Transfer des mit atomaren magnetischen Momenten verknüpften Drehimpulses, in andere Freiheitsgrade wie das Gitter oder räumlich in Bereiche mit anderen magnetischen Eigenschaften. Gegenstand dieser Arbeit ist die bisher weniger umfassend untersuchte Reaktion antiferromagnetischer Ordnung auf optische Anregung. Die hier vorgestellten Experimente wurden an der FemtoSpex Slicing Facility, einer einzigartigen Quelle für ultrakurze elliptisch polarisierte Röntgenpulse am Elektronenspeicherring BESSY II durchgeführt. Im 4f-Metall Dysprosium (Dy), das je nach Temperatur ferro- oder antiferromagnetisch ist, wurden optisch induzierte Änderungen der magnetischen Ordnung mit Röntgenmethoden untersucht, aus denen sich der jeweilige 4f-Ordnungsparameter direkt vergleichbar ableiten lässt. Es wird ein sowohl zeitlich als auch räumlich fundamental unterschiedliches Verhalten der ferro- und antiferromagnetischen Dynamik im Femtosekundenbereich nachgewiesen: Antiferromagnetische Ordnung wird wesentlich schneller und energieeffizienter reduziert als ferromagnetische Ordnung. Zeit- und tiefenaufgelöste Messungen an antiferromagnetischem Dy zeigen, dass dieser Effekt zudem äußerst weitreichend ist und die magnetische Ordnung entlang der gesamten Probentiefe eines 73 nm dicken in situ gewachsenen Dy-Films reduziert. Verantwortlich dafür ist ein hier identifizierter Kanal für Drehimpulstransfer, der es aufgrund der nicht-parallelen Orientierung der atomaren magnetischen Momente in Antiferromagneten erlaubt, die entsprechende Ordnung durch eine Umverteilung des Drehimpulses innerhalb des magnetischen Systems zu reduzieren. Dieser Kanal wird zugänglich durch schnelle Diffusion von laserangeregten 5d-Elektronen, die interatomar Drehimpuls übertragen. Die Experimente deuten darauf hin, dass ultraschnelle ferromagnetische Dynamik ebenfalls stark auf Diffusion mobiler Elektronen basiert. Allerdings sorgt der Effekt hier ausschließlich für Demagnetisierung in grenzflächennahen Bereichen durch Spintransport in magnetisch andersartige Gebiete. Auf längeren Picosekundenzeitskalen wird magnetische Dynamik in der antiferro- und voraussichtlich auch in der ferromagnetischen Phase von Dy durch lokale Streuprozesse angeregter aber weniger beweglicherer Elektronen, zum Beispiel mit Phononen hervorgerufen, allerdings nur in direkt angeregten Teilen der Probe. Die vorliegende Arbeit gibt durch den direkten Vergleich ferro- und antiferromagnetischer Dynamik und der Berücksichtigung des optisch induzierten magnetischen Tiefenprofils Einblicke in die fundamentalen Ursprünge optisch induzierter magnetischer Dynamik. KW - antiferromagnetism KW - ferromagnetism KW - ultrafast phenomena KW - x-ray magnetic circular dichroism (XMCD) KW - x-ray magnetic resonant diffraction (XMRD) KW - rare-earth metals KW - pump-probe experiment KW - optically induced dynamics KW - Antiferromagnetismus KW - Ferromagnetismus KW - ultraschnelle Phänomene KW - magnetischer Zirkulardichroismus KW - magnetische resonante Beugung KW - seltene Erden KW - Anregungs-Abfrage-Experiment KW - optisch induzierte Dynamik Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-402994 ER - TY - THES A1 - Sharma, Anjali T1 - Optical manipulation of multi-responsive microgels N2 - This dissertation focuses on the understanding of the optical manipulation of microgels dispersed in aqueous solution of azobenzene containing surfactant. The work consists of three parts where each part is a systematic investigation of the (1) photo-isomerization kinetics of the surfactant in complex with the microgel polymer matrix, (2) light driven diffusiosmosis (LDDO) in microgels and (3) photo-responsivity of microgel on complexation with spiropyran. The first part comprises three publications where the first one [P1] investigates the photo-isomerization kinetics and corresponding isomer composition at a photo-stationary state of the photo-sensitive surfactant conjugated with charged polymers or micro sized polymer networks to understand the structural response of such photo-sensitive complexes. We report that the photo-isomerization of the azobenzene-containing cationic surfactant is slower in a polymer complex compared to being purely dissolved in an aqueous solution. The surfactant aggregates near the polyelectrolyte chains at concentrations much lower than the bulk critical micelle concentration. This, along with the inhibition of the photo-isomerization kinetics due to steric hindrance within the densely packed aggregates, pushes the isomer-ratio to a higher trans-isomer concentration for all irradiation wavelengths. The second publication [P2] combines experimental results and non-adiabatic dynamic simulations for the same surfactant molecules embedded in the micelles with absorption spectroscopy measurements of micellar solutions to uncover the reasons responsible for the slowdown in photo induced trans → cis azobenzene isomerization at concentrations higher than the critical micelle concentration (CMC). The simulations reveal a decrease of isomerization quantum yields for molecules inside the micelles and observes a reduction of extinction coefficients upon micellization. These findings explain the deceleration of the trans → cis switching in micelles of the azobenzene-containing surfactants. Finally, the third publication [P3] focusses on the kinetics of adsorption and desorption of the same surfactant within anionic microgels in the dark and under continuous irradiation. Experimental data demonstrate, that microgels can serve as a selective absorber of the trans isomers. The interaction of the isomers with the gel matrix induces a remotely controllable collapse or swelling on appropriate irradiation wavelengths. Measuring the kinetics of the microgel size response and knowing the exact isomer composition under light exposure, we calculate the adsorption rate of the trans-isomers. The second part comprises two publications. The first publication [P4] reports on the phenomenon of light-driven diffusioosmotic (DO) long-range attractive and repulsive interactions between micro-sized objects, whose range extends several times the size of microparticles and can be adjusted to point towards or away from the particle by varying irradiation parameters such as intensity or wavelength of light. The phenomenon is fueled by the aforementioned photosensitive surfactant. The complex interaction of dynamic exchange of isomers and photo-isomerization rate yields to relative concentrations gradients of the isomers in the vicinity of micro-sized object inducing a local diffusioosmotic (DO) flow thereby making a surface act as a micropump. The second publication [P5] exclusively aims the visualization and investigation of the DO flows generated from microgels by using small tracer particles. Similar to micro sized objects, the flow is able to push adjacent tracers over distances several times larger than microgel size. Here we report that the direction and the strength of the l-LDDO depends on the intensity, irradiation wavelength and the amount of surfactant adsorbed by the microgel. For example, the flow pattern around a microgel is directed radially outward and can be maintained quasi-indefinitely under exposure at 455 nm when the trans:cis ratio is 2:1, whereas irradiation at 365 nm, generates a radially transient flow pattern, which inverts at lower intensities. Lastly, the third part consists of one publication [P6] which, unlike the previous works, reports on the study of the kinetics of photo- and thermo-switching of a new surfactant namely, spiropyran, upon exposure with light of different wavelengths and its interaction with p(NIPAM-AA) microgels. The surfactant being an amphiphile, switches between its ring closed spiropyran (SP) form and ring open merocyanine (MC) form which results in a change in the hydrophilic–hydrophobic balance of the surfactant as MC being a zwitterionic form along with the charged head group, generates three charges on the molecule. Therefore, the MC form of the surfactant is more hydrophilic than in the case of the neutral SP state. Here, we investigate the initial shrinkage of the gel particles via charge compensation on first exposure to SP molecules which results from the complex formation of the molecules with the gel matrix, triggering them to become photo responsive. The size and VPTT of the microgels during irradiation is shown to be a combination of heating up of the solution during light absorption by the surfactant (more pronounced in the case of UV irradiation) and the change in the hydrophobicity of the surfactant. N2 - Diese Dissertation befasst sich mit dem Verständnis der optischen Manipulation von Mikrogelen, die in einer wässrigen Lösung eines azobenzol-haltigen Tensides mit einer kationischen Kopfgruppe, welches licht-sensitiv ist, dispergiert sind. Die Arbeit besteht aus drei Teilen, wobei jeder Teil eine systematische Untersuchung der (1) Photoisomerisierungskinetik des Tensids im Komplex mit der Mikrogel-Polymermatrix, (2) einer daraus induzierten lokalen lichtinduzierten Diffusiosmose (eng. local light driven diffusio osmosis, l-LDDO) in der Nähe von Mikrogelen und (3) der photo-responsivität von Mikrogelen bei Komplexierung mit Spiropyran darstellt. Der erste Teil umfasst drei Veröffentlichungen, von denen die erste [P1] die Photoisomerisierungskinetik und die entsprechende Isomerenzusammensetzung im photostationären Zustand dieses Tensids in Komplex mit Polyelektrolyten oder mikroskopisch kleinen Polymernetzwerken untersucht. Dabei verläuft die trans-cis-Kinetik in einem Polymerkomplex langsamer als in reinen wässrigen Lösungen, da innerhalb der Polyelektrolytnetzwerken eine erhöhte Mizellisierungstendez des licht-schaltbare Tensides vorliegt. In einer Mizelle ist die geometrische Molekülstrukturänderung vom trans- zum cis-Isomer kinetisch durch sterische Hindernisse von dicht gepackten benachbarten Tensiden gehemmt und führt dazu, dass das Isomerverhältnis bei allen Bestrahlungswellenlängen zu höheren trans-Isomerkonzentration im photostationären Zustand verschoben sind. Diese experimentellen Ergebnisse werden in der zweiten Veröffentlichung [P2] mittels nicht-adiabatische dynamische Simulationen unterstützt, wobei die Ergebnisse zeigen, dass Moleküle, welche einer Mizelle aggregiert sind, eine Abnahme der Isomerisierungsquantenausbeute mit einer gleichzeitigen Verringerung der Extinktionskoeffizienten die Verlangsamung der Kinetik bestätigen. Die dritte Veröffentlichung [P3] befasst sich mit der Kinetik des dynamischen Austauschverhalten desselben Tensids in anionischen Mikrogelen im Dunkeln aber auch unter kontinuierlicher Beleuchtung. Dabei kann die Größe des Mikrogeles bei geeigneten Beleuchtungswellenlängen zu einem lichtgesteuerten Kollaps oder Schwellen des Mikrogeles vollständig reversible induziert werden. Möglich ist dies, weil die Mikrogele als selektiver Absorber für die trans-Isomere dienen. Durch die Messung der Kinetik der Größenänderung des Mikrogels und die Kenntnis der kinetischen Daten aus den vorigen Publikationen wurde die Adsorptionsrate des trans-Isomere zum Mikrogel berechnet. Der zweite Teil umfasst zwei Veröffentlichungen. Der erste [P4] berichtet über das tiefere Verständnis der lokalen lichtinduzierten Diffusioosmose (l-LDDO) an verschiedenen Mikroobjekten, die abstoßende oder anziehende Ströme induzieren. Triebkraft dieses Mechanismus ist eine Verschiebung des cis-Isomerengleichgewichtes bei Beleuchtung und dessen resultierenden Konzentrationsgradienten der Isomere in der Nähe dieser Objekte, welche durch eine komplexe Wechselwirkung zwischen dem dynamischen Austausch von beiden Isomeren und einer unterschiedlichen Photo-Isomerisierungsrate an der Grenzfläche im Vergleich zum Kontinuum vorliegen. Stärke des l-LDDO hängt von typischen Lichtparameter (Intensität und Wellenlänge) und der Größe und Oberfläche der Mikropartikels ab. Unter geeigneten Bedingungen (hohe Lichtintensität) kann fast jede Oberfläche als Mikropumpe wirken. Die zweite Publikation [P5] befasst sich mit der Visualisierung und Untersuchung des l-LDDO von Mikrogelen unter Verwendung von kleinen Tracerpartikel. Ähnlich wie bei mikroskopisch kleinen Objekten können auch hier benachbarte Tracer über Entfernungen um ein Vielfaches größer als die Größe des Mikrogels bewegt werden. Die Richtung und die Stärke des l-LDDO hängt von der Intensität, der Wellenlänge der Bestrahlung und der Menge des vom Mikrogel adsorbierten Tensids ab. So ist beispielsweise das Strömungsmuster um ein Mikrogel radial nach außen gerichtet und kann bei einer Bestrahlung mit blauem Licht (455 nm) quasi unbegrenzt aufrechterhalten werden, während eine Bestrahlung mit UV-Licht (365 nm) mit niedrigen Intensitäten ein temporäres radial verlaufendes Strömungsmuster zum Mikrogel erzeugt. Schließlich besteht der dritte und letzte Teil dieser Dissertation aus einer Veröffentlichung [P6], die im Gegensatz zu den vorangegangenen Arbeiten über die Untersuchung der Kinetik des Photo- und Thermoschaltens eines Spiropyran basierten Tensides mit einer kationischen Kopfgruppe bei der Bestrahlung mit Licht verschiedener Wellenlängen und seiner Wechselwirkung mit Mikrogelen berichtet. Das Tensid wechselt zwischen seiner ringgeschlossenen Spiropyranform (SP) und seiner ringoffenen Merocyaninform (MC), was zu einer Änderung des hydrophilen/hydrophoben Gleichgewichts des Tensids führt. Die anfängliche Schrumpfung der Mikrogele bei der ersten Exposition gegenüber SP-Molekülen wurde untersucht, die auf einen Ladungsausgleich durch die Komplexierung der Moleküle mit der Gelmatrix zurückzuführen ist, wodurch das Mikrogel lichtempfindlich wird. Darüber hinaus wird gezeigt, dass die Temperatur des Größen- und Volumenphasenübergangs der Mikrogele unter Beleuchtung eine Kombination aus dem lichtinduzierten Austauschverhalten und der Erwärmung der Lösung durch die Lichtabsorption des Tensids ist, die unter UV-Bestrahlung besonders ausgeprägt ist. KW - optical manipulation KW - microgel KW - kinetics KW - surfactant KW - photo-isomerization KW - polymer KW - azobenzene KW - spectroscopy KW - microscopy Y1 - 2023 ER - TY - THES A1 - Novakovic-Marinkovic, Nina T1 - Optical control of bubble domains and skyrmions in thin films T1 - Optische Kontrolle von Blasendomänen und Skyrmionen in dünnen Schichten N2 - Laser induced switching offers an attractive possibility to manipulate small magnetic domains for prospective memory and logic devices on ultrashort time scales. Moreover, optical control of magnetization without high applied magnetic fields allows manipulation of magnetic domains individually and locally, without expensive heat dissipation. One of the major challenges for developing novel optically controlled magnetic memory and logic devices is reliable formation and annihilation of non-volatile magnetic domains that can serve as memory bits in ambient conditions. Magnetic skyrmions, topologically nontrivial spin textures, have been studied intensively since their discovery due to their stability and scalability in potential spintronic devices. However, skyrmion formation and, especially, annihilation processes are still not completely understood and further investigation on such mechanisms are needed. The aim of this thesis is to contribute to better understanding of the physical processes behind the optical control of magnetism in thin films, with the goal of optimizing material parameters and methods for their potential use in next generation memory and logic devices. First part of the thesis is dedicated to investigation of all-optical helicity-dependent switching (AO-HDS) as a method for magnetization manipulation. AO-HDS in Co/Pt multilayer and CoFeB alloys with and without the presence of Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMI), which is a type of exchange interaction, have been investigated by magnetic imaging using photo-emission electron microscopy (PEEM) in combination with X-ray magnetic circular dichroism (XMCD). The results show that in a narrow range of the laser fluence, circularly polarized laser light induces a drag on domain walls. This enables a local deterministic transformation of the magnetic domain pattern from stripes to bubbles in out-of-plane magnetized Co/Pt multilayers, only controlled by the helicity of ultrashort laser pulses. The temperature and characteristic fields at which the stripe-bubble transformation occurs has been calculated using theory for isolated magnetic bubbles, using as parameters experimentally determined average size of stripe domains and the magnetic layer thickness. The second part of the work aims at purely optical formation and annihilation of magnetic skyrmions by a single laser pulse. The presence of a skyrmion phase in the investigated CoFeB alloys was first confirmed using a Kerr microscope. Then the helicity-dependent skyrmion manipulation was studied using AO-HDS at different laser fluences. It was found that formation or annihilation individual skyrmions using AO-HDS is possible, but not always reliable, as fluctuations in the laser fluence or position can easily overwrite the helicity-dependent effect of AO-HDS. However, the experimental results and magnetic simulations showed that the threshold values for the laser fluence for the formation and annihilation of skyrmions are different. A higher fluence is required for skyrmion formation, and existing skyrmions can be annihilated by pulses with a slightly lower fluence. This provides a further option for controlling formation and annihilation of skyrmions using the laser fluence. Micromagnetic simulations provide additional insights into the formation and annihilation mechanism. The ability to manipulate the magnetic state of individual skyrmions is of fundamental importance for magnetic data storage technologies. Our results show for the first time that the optical formation and annihilation of skyrmions is possible without changing the external field. These results enable further investigations to optimise the magnetic layer to maximise the energy gap between the formation and annihilation barrier. As a result, unwanted switching due to small laser fluctuations can be avoided and fully deterministic optical switching can be achieved. N2 - Laser induziertes Schalten bietet eine attraktive Möglichkeit zur Manipulation kleiner magnetischer Domänen für zukünftige Speicher- und Logikbauteile auf ultrakurzen Zeitskalen. Darüber hinaus ermöglicht die rein optische Kontrolle der Magnetisierung ohne hohe angelegte Magnetfelder eine individuelle und lokale Manipulation magnetischer Domänen ohne teure Wärmeverluste. Eine der größten Herausforderungen bei der Entwicklung neuartiger optisch kontrollierter magnetischer Speicher- und Logikbauteile ist das zuverlässige Schreiben stabiler magnetischer Domänen, die unter Umgebungsbedingungen als Speicherbits dienen können. Magnetische Skyrmionen, topologisch nichttriviale wirbelf¨ormige Spin-Texturen, wurden seit ihrer Entdeckung aufgrund ihrer Stabilität und Skalierbarkeit in potenziellen spintronischen Bauelementen intensiv untersucht. Allerdings sind die Prozesse der Skyrmionenbildung und vor allem der Skyrmionenvernichtung noch immer nicht vollständig verstanden, so dass weitere Untersuchungen zu diesen Mechanismen erforderlich sind. Ziel dieser Arbeit ist es, zu einem besseren Verständnis der physikalischen Prozesse beizutragen, die der optischen Kontrolle magnetischer Texturen in dünnen Filmen zugrunde liegen, mit dem Ziel, die Materialparameter und Methoden für ihren potenziellen Einsatz in Speicher- und Logikbauteilen der nächsten Generation zu optimieren. Der erste Teil der Arbeit widmet sich der Untersuchung des rein optischen helizitätsabhängigen Schaltens (AO-HDS) als Methode zur Manipulation der Magnetisierung. AO-HDS wurde in Co/Pt-Multilayern und CoFeB-Legierungen mit und ohne DMI (Dzyaloshinskii-Moriya-Wechselwirkung), einer Art Austauschwechselwirkung, mittels magnetischer Bildgebung durch Photoemissions-Elektronenmikroskopie (PEEM) in Kombination mit magnetischem Röntgendichroismus (XMCD) untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass zirkular polarisiertes Licht in einem bestimmten Bereich der Laserfluenz einen Zug auf Domänenwände ausübt. Dies ermöglicht eine lokale deterministische Umwandlung des magnetischen Domänenmusters von Streifen zu Blasen Domänen in unmagnetisierten Co/Pt- Multilagen, die ausschließlich durch die Helizität der ultrakurzen Laserpulse gesteuert wird. Die Temperatur und die charakteristischen Felder, bei denen die Umwandlung von Streifen zu Blasen Domänen stattfindet, wurden mithilfe der Theorie für isolierte magnetische Blasen berechnet, wobei die experimentell ermittelte durchschnittliche Größe der Streifendom¨anen und die Dicke der magnetischen Schicht als Parameter verwendet wurden. Der zweite Teil der Arbeit zielt darauf ab, optimale Parameter zu ermitteln, die für das rein optische Schreiben und Löschen von magnetischen Skyrmionen in einem einzigen Laser Puls erforderlich sind. Das Vorhandensein einer Skyrmion-Phase in dafür verwendeten CoFeB-Legierungen wurde zunächst mit Hilfe eines Kerr-Mikroskops bestätigt. Dann wurde die helizitätsabhängige Skyrmion-Manipulation mittels AOHDS für verschiedene Laserfluenzen untersucht. Es zeigte sich, dass eine Schreiben oder Löschen einzelner Skyrmionen mittels AO-HDS zwar möglich ist, aber nicht immer zuverlässig, da Fluktuationen in der Laserfluenz oder Position den helizitätsabhängigen Effekt von AO-HDS leicht überschreiben können. Die experimentellen Ergebnisse und magnetischen Simulationen zeigten allerdings, dass die Schwellenwerte für die Laserfluenz zur Bildung und Vernichtung von Skyrmionen unterschiedlich sind. Für die Skyrmionenbildung wird eine höhere Fluenz benötigt, und bereits existierende Skyrmionen können durch Laser Pulse mit etwas geringerer Fluenz gelöscht werden. Dadurch bietet sich eine weitere Möglichkeit das Schreiben und Löschen von Skyrmionen durch die Laserfluenz zu kontrollieren. Mikromagnetische Simulationen liefern zusätzliche Erkenntnisse über den Schreib- und Löschmechanismus. Die Möglichkeit, den magnetischen Zustand einzelner Skyrmionen zu manipulieren, ist von grundlegender Bedeutung für magnetische Datenspeichertechnologien. Unsere Ergebnisse zeigen erstmalig, dass die optische Bildung und Vernichtung von Skyrmionen ohne Änderung des externen Feldes möglich ist. Diese Ergebnisse ermöglichen weitere Untersuchungen zur Optimierung der magnetischen Schicht, um die Energielücke zwischen Bildungs- und Vernichtungsbarriere zu maximieren. Dadurch kann unerwünschtes Schalten aufgrund kleiner Laserfluktuationen vermieden und vollständig deterministisches optisches Schalten erreicht werden. KW - Skyrmions KW - bubble domains KW - magnetism KW - Skyrmionen KW - Blasendomänen KW - Magnetismus KW - dünne Schichten KW - thin films Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-647069 ER -