First-principles electronic theory of non-collinear magnetic order in transition-metal nanowires

The structural, electronic and magnetic properties of one-dimensional 3d transition-metal (TM) monoatomic chains having linear, zigzag and ladder geometries are investigated in the frame-work of first-principles density-functional theory. The stability of long-range magnetic order along the nanowires is determined by computing the corresponding frozen-magnon dispersion relations as a function of the 'spin-wave' vector q. First, we show that the ground-state magnetic orders of V, Mn and Fe linear chains at the equilibrium interatomic distances are non-collinear (NC) spin-density waves (SDWs) with characteristic equilibrium wave vectors q that depend on the composition and interatomic distance. The electronic and magnetic properties of these novel spin-spiral structures are discussed from a local perspective by analyzing the spin-polarized electronic densities of states, the local magnetic moments and the spin-density distributions for representative values q. Second, we investigate the stability of NC spin arrangements in Fe zigzag chains and ladders. We find that the non-collinear SDWs are remarkably stable in the biatomic chains (square ladder), whereas ferromagnetic order (q =0) dominates in zigzag chains (triangular ladders). The different magnetic structures are interpreted in terms of the corresponding effective exchange interactions J(ij) between the local magnetic moments μ(i) and μ(j) at atoms i and j. The effective couplings are derived by fitting a classical Heisenberg model to the ab initio magnon dispersion relations. In addition they are analyzed in the framework of general magnetic phase diagrams having arbitrary first, second, and third nearest-neighbor (NN) interactions J(ij). The effect of external electric fields (EFs) on the stability of NC magnetic order has been quantified for representative monoatomic free-standing and deposited chains. We find that an external EF, which is applied perpendicular to the chains, favors non-collinear order in V chains, whereas it stabilizes the ferromagnetic (FM) order in Fe chains. Moreover, our calculations reveal a change in the magnetic order of V chains deposited on the Cu(110) surface in the presence of external EFs. In this case the NC spiral order, which was unstable in the absence of EF, becomes the most favorable one when perpendicular fields of the order of 0.1 V/Å are applied. As a final application of the theory we study the magnetic interactions within monoatomic TM chains deposited on graphene sheets. One observes that even weak chain substrate hybridizations can modify the magnetic order. Mn and Fe chains show incommensurable NC spin configurations. Remarkably, V chains show a transition from a spiral magnetic order in the freestanding geometry to FM order when they are deposited on a graphene sheet. Some TM-terminated zigzag graphene-nanoribbons, for example V and Fe terminated nanoribbons, also show NC spin configurations. Finally, the magnetic anisotropy energies (MAEs) of TM chains on graphene are investigated. It is shown that Co and Fe chains exhibit significant MAEs and orbital magnetic moments with in-plane easy magnetization axis. The remarkable changes in the magnetic properties of chains on graphene are correlated to charge transfers from the TMs to NN carbon atoms. Goals and limitations of this study and the resulting perspectives of future investigations are discussed.

Determination of subclinical metabolic disorders in transition dairy cows

Das Gesundheitsmanagement von Milchkühen hat in den vergangenen Jahren auf den landwirtschaftlichen Betrieben an Bedeutung gewonnen. Neben Präventionsmaßnahmen zur Gesunderhaltung der Tiere ist die frühzeitige und systematische Erkennung von Erkrankungen hierbei der Hauptbestandteil. Es zeigt sich vermehrt, dass vor allem Transitkühe verstärkt an Stoffwechselerkrankungen in sowohl klinischer als auch subklinischer Form erkranken. Letztere stellen ein hohes Risiko dar, zum einen weil subklinische Erkrankungen oftmals nur schwer oder gar nicht erkannt werden und zum anderen, weil sie in vielen Fällen die Grundlage für meist schwerwiegendere Folgeerkrankungen sind. In der vorliegenden Studie wird das Thema der Früherkennung von subklinischen Ketosen und der subakuten Pansenazidose behandelt. Verschiedene Methoden wurden unter praktischen Versuchsbedingungen auf ihre Tauglichkeit zur Krankheitserkennung hin geprüft. In einer ersten Studie wurde auf einem konventionellen Milchviehbetrieb ein Ketose-Monitoring bei frischlaktierenden Kühen ab Tag 3 postpartum durchgeführt. Insgesamt 15 Tiere waren an einer subklinischen Ketose erkrankt, was eine Aufkommensrate von 26% in den untersuchten Tieren bedeutete. Die Blutproben von insgesamt 24 Tieren wurden auf ihren IL-6-Gehalt untersucht. Von den untersuchten Tieren waren 14 Tiere erkrankt, 10 Tiere bildeten die gesunde Kontrollgruppe. Interleukin-6 wurde bestimmt, da dem Zytokin IL-6 in anderen Studien in Bezug auf Ketosen eine Rolle zugesprochen wurde. Die erwartete Erhöhung von IL-6 bei erkrankten Tieren konnte nicht festgestellt werden; die erkrankten Kühe zeigten vielmehr die niedrigsten IL-6 Werte der Studiengruppe. Insgesamt waren die IL-6 Konzentrationen auf einem niedrigen Niveau mit 27.2 pg/m l± 10.2. Es zeigte sich, dass die IL-6 Bestimmung im Blut hinsichtlich der Erkennung von subklinischen Ketosen nur eingeschränkt nutzbar ist. Es konnte ausschließlich eine schwache negative Korrelation zwischen Beta- Hydroxybutyrat (BHBA, Goldstandard für den Nachweis einer Ketose) und IL-6 detektiert werden. Zusätzlich zu den Blutanalysen wurde ebenfalls die tägliche Wiederkauaktivität mit dem „DairyCheck“ System bestimmt, welches kontinuierlich die charakteristischen Kaumuskelkontraktionen aufzeichnet und somit die Dauer des Wiederkäuens bestimmt werden kann. Es wurde geprüft, ob sich ketotische Tiere von nicht ketotischen Tieren hinsichtlich der täglichen Wiederkäuzeit unterscheiden. Milchkühe mit einer Ketose kauten im Schnitt 475 min/d ± 56 wieder, nach Genesung 497 min/d ± 48. Sie befanden sich somit im Durchschnitt immer unterhalb der gesunden Kontrollgruppe, welche 521 min/d ± 76 wiederkaute. Eine Korrelation zwischen der Wiederkauzeit und dem BHBA- Gehalt im Blut war nur sehr schwach ausgeprägt, nicht zuletzt da die Tiere generell eine hohe Variabilität in der Wiederkauaktivität zeigten. Bei einer weiteren Studie, ebenfalls auf einem Praxisbetrieb durchgeführt, wurde auf die Erkennung der subakuten Pansensazidose (SARA) fokussiert. Hierbei kam ein drahtloses, kommerziell verfügbares Bolussystem zum Einsatz, welches den pH Wert kontinuierlich im Retikulorumen misst. Es macht die Erkennung einer SARA auch unter Praxisbedingungen ohne invasive Methoden wie der Punktion möglich. Das Bolussystem wurde 24 Milchkühen kurz vor der Abkalbung oral eingegeben, um den pH-Wert während der gesamten Transitphase messen und überwachen zu können. Während in der Trockenstehphase nur vereinzelte SARA Fälle auftraten, erlitt ein Großteil der untersuchten Tiere in der Frühlaktation eine SARA. Auf Grundlage von pH-Werten von laktierenden Milchkühen, wurde zusätzlich eine Sensitivitätsanalyse von verschieden, bereits eingesetzten Nachweismethoden durchgeführt, um die Tauglichkeit für die SARA-Diagnostik zu untersuchen. Es handelte sich hierbei zum einen um einen SARA-Nachweis unter Heranziehung von Einzelwerten, Fress- und Wiederkäuzeiten, sowie ausgewählten Milchinhaltsstoffen und der Milchmenge. Die Analyse ergab, dass nahezu alle Nachweismethoden im Vergleich zur Langzeitmessung nur eingeschränkt zur SARA-Diagnostik nutzbar sind. In einem weiteren Teil der Studie wurde eine Kotfraktionierung bei den gleichen Tieren durchgeführt, um damit SARA-Tiere auch mittels der Kotanalyse erkennen kann. Es konnte gezeigt werden, dass zum einen die Ration einen Einfluss auf die Kotzusammensetzung hat (Trockensteherration versus Ration für Laktierende) zum anderen aber auch, dass eine SARA die Zusammensetzung des Kotes verändert. Hierfür wurden Kotproben ausschließlich von laktierenden Kühen untersucht, sodass der Einfluss der Ration ausgeschlossen werden konnte. Erhöhte Faseranteile im Kot von SARA - Kühen gaben Hinweis auf eine verminderte Verdaulichkeit. Dabei erwies sich vor allem die Hemizellulose als guter Parameter, um auf eine SARA schließen zu können. Die Versuchsbedingungen ließen es ebenfalls zu, die pH-Verläufe der Tiere in der Frühlaktation zu untersuchen. Eine Clusteranalyse von pH-Werten der ersten 12 Tage postpartum zeigte, dass die untersuchten Tiere trotz gleicher Haltungs- und Fütterungsbedingungen unterschiedliche pH-Wert Verläufe entwickelten. So gab es eine Gruppe von Milchkühen, die den pH-Wert stabil halten konnte, während die restlichen pH-Abfälle in verschiedenen Verläufen und Intensitäten aufzeigten. Es konnte ebenfalls aufgezeigt werden, dass Tiere innerhalb der Testherde unterschiedliche Schweregrade der SARA entwickelten. Auch in dieser Studie wurde deutlich, dass Tiere scheinbar unterschiedliche Möglichkeiten haben, auf ihre Umwelt zu reagieren, bzw. suboptimalen Bedingungen entgegenwirken zu können. Zusammengefasst wurden verschiedene Methoden zur Ketose- und SARA- Erkennung geprüft, von denen nur einzelne für die Praxis zu empfehlen sind. Die Variabilität der Tiere, sowohl bei der Ausprägung der Erkrankungen als auch bei den gemessenen Parametern verdeutlicht die Notwendigkeit, diese im Herden- und Gesundheitsmanagement in Zukunft stärker zu berücksichtigen.