Crystal phases and glassy dynamics in monodisperse hard ellipsoids

We have performed Monte Carlo and molecular dynamics simulations of suspensions of monodisperse, hard ellipsoids of revolution. Hard-particle models play a key role in statistical mechanics. They are conceptually and computationally simple, and they offer insight into systems in which particle shape is important, including atomic, molecular, colloidal, and granular systems. In the high density phase diagram of prolate hard ellipsoids we have found a new crystal, which is more stable than the stretched FCC structure proposed previously . The new phase, SM2, has a simple monoclinic unit cell containing a basis of two ellipsoids with unequal orientations. The angle of inclination is very soft for length-to-width (aspect) ratio l/w=3, while the other angles are not. A symmetric state of the unit cell exists, related to the densest-known packings of ellipsoids; it is not always the stable one. Our results remove the stretched FCC structure for aspect ratio l/w=3 from the phase diagram of hard, uni-axial ellipsoids. We provide evidence that this holds between aspect ratios 3 and 6, and possibly beyond. Finally, ellipsoids in SM2 at l/w=1.55 exhibit end-over-end flipping, warranting studies of the cross-over to where this dynamics is not possible. Secondly, we studied the dynamics of nearly spherical ellipsoids. In equilibrium, they show a first-order transition from an isotropic phase to a rotator phase, where positions are crystalline but orientations are free. When over-compressing the isotropic phase into the rotator regime, we observed super-Arrhenius slowing down of diffusion and relaxation, and signatures of the cage effect. These features of glassy dynamics are sufficiently strong that asymptotic scaling laws of the Mode-Coupling Theory of the glass transition (MCT) could be tested, and were found to apply. We found strong coupling of positional and orientational degrees of freedom, leading to a common value for the MCT glass-transition volume fraction. Flipping modes were not slowed down significantly. We demonstrated that the results are independent of simulation method, as predicted by MCT. Further, we determined that even intra-cage motion is cooperative. We confirmed the presence of dynamical heterogeneities associated with the cage effect. The transit between cages was seen to occur on short time scales, compared to the time spent in cages; but the transit was shown not to involve displacements distinguishable in character from intra-cage motion. The presence of glassy dynamics was predicted by molecular MCT (MMCT). However, as MMCT disregards crystallization, a test by simulation was required. Glassy dynamics is unusual in monodisperse systems. Crystallization typically intervenes unless polydispersity, network-forming bonds or other asymmetries are introduced. We argue that particle anisometry acts as a sufficient source of disorder to prevent crystallization. This sheds new light on the question of which ingredients are required for glass formation.

Monte-Carlo simulation of hard spherocylinders under confinement

When a liquid crystal is confined to a cavity its director field becomes subject to competing forces: on the one hand, the surface of the cavity orients the director field (``surface anchoring''), on the other hand deformations of the director field cost elastic energy. Hence the equilibrium director field is determined by a compromise between surface anchoring and elasticity. One example of a confined liquid crystal that has attracted particular interest from physicists is the nematic droplet. In this thesis a system of hard rods is considered as the simplest model for nematic liquid crystals consisting of elongated molecules. First, systems of hard spherocylinders in a spherical geometry are investigated by means of canonical Monte Carlo simulations. In contrast to previous simulation work on this problem, a continuum model is used. In particular, the effects of ordering near hard curved walls are studied for the low-density regime. With increasing density, first a uniaxial surface film forms and then a biaxial surface film, which eventually fills the entire cavity. We study how the surface order, the adsorption and the shape of the director field depend on the curvature of the wall. We find that orientational ordering at a curved wall in a cavity is stronger than at a flat wall, while adsorption is weaker. For densities above the isotropic-nematic transition, we always find bipolar configurations. As a next step, an extension of the Asakura-Oosawa-Vrij model for colloid-polymer mixtures to anisotropic colloids is considered. By means of computer simulations we study how droplets of hard, rod-like particles optimize their shape and structure under the influence of the osmotic compression caused by the presence of spherical particles that act as depletion agents. At sufficiently high osmotic pressures the rods that make up the drops spontaneously align to turn them into uniaxial nematic liquid crystalline droplets. The nematic droplets or ``tactoids'' that so form are not spherical but elongated, resulting from the competition between the anisotropic surface tension and the elastic deformation of the director field. In agreement with recent theoretical predictions we find that sufficiently small tactoids have a uniform director field, whilst large ones are characterized by a bipolar director field. From the shape and director-field transformation of the droplets we estimate the surface anchoring strength.

On the car sequencing problem: analysis and solution methods

This work deals with the car sequencing (CS) problem, a combinatorial optimization problem for sequencing mixed-model assembly lines. The aim is to find a production sequence for different variants of a common base product, such that work overload of the respective line operators is avoided or minimized. The variants are distinguished by certain options (e.g., sun roof yes/no) and, therefore, require different processing times at the stations of the line. CS introduces a so-called sequencing rule H:N for each option, which restricts the occurrence of this option to at most H in any N consecutive variants. It seeks for a sequence that leads to no or a minimum number of sequencing rule violations. In this work, CS’ suitability for workload-oriented sequencing is analyzed. Therefore, its solution quality is compared in experiments to the related mixed-model sequencing problem. A new sequencing rule generation approach as well as a new lower bound for the problem are presented. Different exact and heuristic solution methods for CS are developed and their efficiency is shown in experiments. Furthermore, CS is adjusted and applied to a resequencing problem with pull-off tables.

Observable stages and scheduling for alveolar remodeling following antemortem tooth loss

Zahnverlust zu Lebzeiten („antemortem tooth loss“, AMTL) kann als Folge von Zahnerkrankungen, Traumata, Zahnextraktionen oder extremer kontinuierlicher Eruption sowie als Begleiterscheinung fortgeschrittener Stadien von Skorbut oder Lepra auftreten. Nach dem Zahnverlust setzt die Wundheilung als Sekundärheilung ein, während der sich die Alveole mit Blut füllt und sich ein Koagulum bildet. Anschließend erfolgt dessen Umwandlung in Knochengewebe und schließlich verstreicht die Alveole derart, dass sie makroskopisch nicht mehr erkannt werden kann. Der Zeitrahmen der knöchernen Konsolidierung des Kieferkammes ist im Detail wenig erforscht. Aufgrund des gehäuften Auftretens von AMTL in menschlichen Populationen, ist die Erarbeitung eines Zeitfensters, mit dessen Hilfe durch makroskopische Beobachtung des Knochens die Zeitspanne seit dem Zahnverlust („time since tooth loss“, TSL) ermittelt werden kann, insbesondere im archäologischen Kontext äußerst wertvoll. Solch ein Zeitschema mit Angaben über die Variabilität der zeitlichen Abläufe bei den Heilungsvorgängen kann nicht nur in der Osteologie, sondern auch in der Forensik, der allgemeinen Zahnheilkunde und der Implantologie nutzbringend angewandt werden. rnrnNach dem Verlust eines Zahnes wird das Zahnfach in der Regel durch ein Koagulum aufgefüllt. Das sich bildende Gewebe wird rasch in noch unreifen Knochen umgewandelt, welcher den Kieferknochen und auch die angrenzenden Zähne stabilisiert. Nach seiner Ausreifung passt sich das Gewebe schließlich dem umgebenden Knochen an. Das Erscheinungsbild des Zahnfaches während dieses Vorgangs durchläuft verschiedene Stadien, welche in der vorliegenden Studie anhand von klinischen Röntgenaufnahmen rezenter Patienten sowie durch Untersuchungen an archäologischen Skelettserien identifiziert wurden. Die Heilungsvorgänge im Zahnfach können in eine prä-ossale Phase (innerhalb einer Woche nach Zahnverlust), eine Verknöcherungsphase (etwa 14 Wochen nach Zahnverlust) und eine ossifizierte bzw. komplett verheilte Phase (mindestens 29 Wochen nach Zahnverlust) eingeteilt werden. Etliche Faktoren – wie etwa die Resorption des Interdentalseptums, der Zustand des Alveolarknochens oder das Individualgeschlecht – können den normalen Heilungsprozess signifikant beschleunigen oder hemmen und so Unterschiede von bis zu 19 Wochen verursachen. Weitere Variablen wirkten sich nicht signifikant auf den zeitlichen Rahmen des Heilungsprozesse aus. Relevante Abhängigkeiten zwischen verschiedenen Variabeln wurden ungeachtet der Alveolenauffüllung ebenfalls getestet. Gruppen von unabhängigen Variabeln wurden im Hinblick auf Auffüllungsgrad und TSL in multivariablen Modellen untersucht. Mit Hilfe dieser Ergebnisse ist eine grobe Einschätzung der Zeitspanne nach einem Zahnverlust in Wochen möglich, wobei die Einbeziehung weiterer Parameter eine höhere Präzision ermöglicht. rnrnObwohl verschiedene dentale Pathologien in dieser Studie berücksichtigt wurden, sollten zukünftige Untersuchungen genauer auf deren potenzielle Einflussnahme auf den alveolaren Heilungsprozess eingehen. Der kausale Zusammenhang einiger Variablen (wie z. B. Anwesenheit von Nachbarzähnen oder zahnmedizinische Behandlungen), welche die Geschwindigkeit der Heilungsrate beeinflussen, wäre von Bedeutung für zukünftige Untersuchungen des oralen Knochengewebes. Klinische Vergleichsstudien an forensischen Serien mit bekannter TSL oder an einer sich am Anfang des Heilungsprozesses befindlichen klinischen Serie könnten eine Bekräftigung dieser Ergebnisse liefern.

Hard x-ray photoelectron spectroscopy of bulk and thin films of Heusler compounds

X-ray photoemission spectroscopy (XPS) is one of the most universal and powerful tools for investigation of chemical states and electronic structures of materials. The application of hard x-rays increases the inelastic mean free path of the emitted electrons within the solid and thus makes hard x-ray photoelectron spectroscopy (HAXPES) a bulk sensitive probe for solid state research and especially a very effective nondestructive technique to study buried layers.rnThis thesis focuses on the investigation of multilayer structures, used in magnetic tunnel junctions (MTJs), by a number of techniques applying HAXPES. MTJs are the most important components of novel nanoscale devices employed in spintronics. rnThe investigation and deep understanding of the mechanisms responsible for the high performance of such devices and properties of employed magnetic materials that are, in turn, defined by their electronic structure becomes feasible applying HAXPES. Thus the process of B diffusion in CoFeB-based MTJs was investigated with respect to the annealing temperature and its influence on the changes in the electronic structure of CoFeB electrodes that clarify the behaviour and huge TMR ratio values obtained in such devices. These results are presented in chapter 6. The results of investigation of the changes in the valence states of buried off-stoichiometric Co2MnSi electrodes were investigated with respect to the Mn content α and its influence on the observed TMR ratio are described in chapter 7.rnrnMagnetoelectronic properties such as exchange splitting in ferromagnetic materials as well as the macroscopic magnetic ordering can be studied by magnetic circular dichroism in photoemission (MCDAD). It is characterized by the appearance of an asymmetry in the photoemission spectra taken either from the magnetized sample with the reversal of the photon helicity or by reversal of magnetization direction of the sample when the photon helicity direction is fixed. Though recently it has been widely applied for the characterization of surfaces using low energy photons, the bulk properties have stayed inaccessible. Therefore in this work this method was integrated to HAXPES to provide an access to exploration of magnetic phenomena in the buried layers of the complex multilayer structures. Chapter 8 contains the results of the MCDAD measurements employing hard x-rays for exploration of magnetic properties of the common CoFe-based band-ferromagnets as well as half-metallic ferromagnet Co2FeAl-based MTJs.rnrnInasmuch as the magnetoresistive characteristics in spintronic devices are fully defined by the electron spins of ferromagnetic materials their direct measurements always attracted much attention but up to date have been limited by the surface sensitivity of the developed techniques. Chapter 9 presents the results on the successfully performed spin-resolved HAXPES experiment using a spin polarimeter of the SPLEED-type on a buried Co2FeAl0.5Si0.5 magnetic layer. The measurements prove that a spin polarization of about 50 % is retained during the transmission of the photoelectrons emitted from the Fe 2p3/2 state through a 3-nm-thick oxide capping layer.rn

Optimized scheduling in real-time environments with column generation

Im Bereich sicherheitsrelevanter eingebetteter Systeme stellt sich der Designprozess von Anwendungen als sehr komplex dar. Entsprechend einer gegebenen Hardwarearchitektur lassen sich Steuergeräte aufrüsten, um alle bestehenden Prozesse und Signale pünktlich auszuführen. Die zeitlichen Anforderungen sind strikt und müssen in jeder periodischen Wiederkehr der Prozesse erfüllt sein, da die Sicherstellung der parallelen Ausführung von größter Bedeutung ist. Existierende Ansätze können schnell Designalternativen berechnen, aber sie gewährleisten nicht, dass die Kosten für die nötigen Hardwareänderungen minimal sind. Wir stellen einen Ansatz vor, der kostenminimale Lösungen für das Problem berechnet, die alle zeitlichen Bedingungen erfüllen. Unser Algorithmus verwendet Lineare Programmierung mit Spaltengenerierung, eingebettet in eine Baumstruktur, um untere und obere Schranken während des Optimierungsprozesses bereitzustellen. Die komplexen Randbedingungen zur Gewährleistung der periodischen Ausführung verlagern sich durch eine Zerlegung des Hauptproblems in unabhängige Unterprobleme, die als ganzzahlige lineare Programme formuliert sind. Sowohl die Analysen zur Prozessausführung als auch die Methoden zur Signalübertragung werden untersucht und linearisierte Darstellungen angegeben. Des Weiteren präsentieren wir eine neue Formulierung für die Ausführung mit fixierten Prioritäten, die zusätzlich Prozessantwortzeiten im schlimmsten anzunehmenden Fall berechnet, welche für Szenarien nötig sind, in denen zeitliche Bedingungen an Teilmengen von Prozessen und Signalen gegeben sind. Wir weisen die Anwendbarkeit unserer Methoden durch die Analyse von Instanzen nach, welche Prozessstrukturen aus realen Anwendungen enthalten. Unsere Ergebnisse zeigen, dass untere Schranken schnell berechnet werden können, um die Optimalität von heuristischen Lösungen zu beweisen. Wenn wir optimale Lösungen mit Antwortzeiten liefern, stellt sich unsere neue Formulierung in der Laufzeitanalyse vorteilhaft gegenüber anderen Ansätzen dar. Die besten Resultate werden mit einem hybriden Ansatz erzielt, der heuristische Startlösungen, eine Vorverarbeitung und eine heuristische mit einer kurzen nachfolgenden exakten Berechnungsphase verbindet.

Contributions to exact approaches in combinatorial optimization

The focus of this thesis is to contribute to the development of new, exact solution approaches to different combinatorial optimization problems. In particular, we derive dedicated algorithms for a special class of Traveling Tournament Problems (TTPs), the Dial-A-Ride Problem (DARP), and the Vehicle Routing Problem with Time Windows and Temporal Synchronized Pickup and Delivery (VRPTWTSPD). Furthermore, we extend the concept of using dual-optimal inequalities for stabilized Column Generation (CG) and detail its application to improved CG algorithms for the cutting stock problem, the bin packing problem, the vertex coloring problem, and the bin packing problem with conflicts. In all approaches, we make use of some knowledge about the structure of the problem at hand to individualize and enhance existing algorithms. Specifically, we utilize knowledge about the input data (TTP), problem-specific constraints (DARP and VRPTWTSPD), and the dual solution space (stabilized CG). Extensive computational results proving the usefulness of the proposed methods are reported.