Hypersonic phonon propagation in mesoscopic systems by Brillouin spectroscopy

Phononic crystals, capable to block or direct the propagation of elastic/acoustic waves, have attracted increasing interdisciplinary interest across condensed matter physics and materials science. As of today, no generalized full description of elastic wave propagation in phononic structures is available, mainly due to the large number of variables determining the band diagram. Therefore, this thesis aims for a deeper understanding of the fundamental concepts governing wave propagation in mesoscopic structures by investigation of appropriate model systems. The phononic dispersion relation at hypersonic frequencies is directly investigated by the non-destructive technique of high-resolution spontaneous Brillouin light scattering (BLS) combined with computational methods. Due to the vector nature of the elastic wave propagation, we first studied the hypersonic band structure of hybrid superlattices. These 1D phononic crystals composed of alternating layers of hard and soft materials feature large Bragg gaps. BLS spectra are sensitive probes of the moduli, photo-elastic constants and structural parameters of the constituent components. Engineering of the band structure can be realized by introduction of defects. Here, cavity layers are employed to launch additional modes that modify the dispersion of the undisturbed superlattice, with extraordinary implications to the band gap region. Density of states calculations in conjunction with the associated deformation allow for unambiguous identication of surface and cavity modes, as well as their interaction with adjacent defects. Next, the role of local resonances in phononic systems is explored in 3D structures based on colloidal particles. In turbid media BLS records the particle vibration spectrum comprising resonant modes due to the spatial confinement of elastic energy. Here, the frequency and lineshapes of the particle eigenmodes are discussed as function of increased interaction and departure from spherical symmetry. The latter is realized by uniaxial stretching of polystyrene spheres, that can be aligned in an alternating electric field. The resulting spheroidal crystals clearly exhibit anisotropic phononic properties. Establishing reliable predictions of acoustic wave propagation, necessary to advance, e.g., optomechanics and phononic devices is the ultimate aim of this thesis.

Zusammenhang zwischen der Einzelkettendynamik und der Dynamik von Konzentrationsfluktuationen in mehrkomponentigen Polymersystemen

Zusammmenfassung:Um Phasenseparation in binären Polymermischungen zuuntersuchen, werden zwei dynamische Erweiterungen der selbstkonsistenten Feldtheorie (SCFT)entwickelt. Die erste Methode benutzt eine zeitliche Entwicklung der Dichten und wird dynamische selbstkonsistente Feldtheorie (DSCFT) genannt, während die zweite Methode die zeitliche Propagation der effektiven äußeren Felder der SCFT ausnutzt. Diese Methode wird mit External Potential Dynamics (EPD) bezeichnet. Für DSCFT werden kinetische Koeffizienten verwendet, die entweder die lokale Dynamik von Punktteilchen oder die nichtlokale Dynamik von Rouse'schen Polymeren nachbilden. Die EPD-Methode erzeugt mit einem konstanten kinetischen Koeffizienten die Dynamik von Rouse'schen Ketten und benötigt weniger Rechenzeit als DSCFT. Diese Methoden werden für verschiedene Systeme angewendet.Zuerst wird spinodale Entmischung im Volumen untersucht,wobei der Unterschied zwischen lokaler und nichtlokalerDynamik im Mittelpunkt steht. Um die Gültigkeit derErgebnisse zu überprüfen, werden Monte-Carlo-Simulationen durchgeführt. In Polymermischungen, die von zwei Wänden, die beide die gleiche Sorte Polymere bevorzugen, eingeschränkt werden, wird die Bildung von Anreicherungsschichten an den Wänden untersucht. Für dünne Polymerfilme zwischen antisymmetrischen Wänden, d.h. jede Wand bevorzugt eine andere Polymerspezies, wird die Spannung einer parallel zu den Wänden gebildeten Grenzfläche analysiert und der Phasenübergang von einer anfänglich homogenen Mischung zur lokalisierten Phase betrachtet. Des Weiteren wird die Dynamik von Kapillarwellenmoden untersucht.

Decay of imprinted surface waves in polymers

CONCLUSIONS The focus of this work was the investigation ofanomalies in Tg and dynamics at polymer surfaces. Thethermally induced decay of hot-embossed polymer gratings isstudied using laser-diffraction and atomic force microscopy(AFM). Monodisperse PMMA and PS are selected in the Mwranges of 4.2 to 65.0 kg/mol and 3.47 to 65.0 kg/mol,respectively. Two different modes of measurement were used:the one mode uses temperature ramps to obtain an estimate ofthe near-surface glass temperature, Tdec,0; the other modeinvestigates the dynamics at a constant temperature aboveTg. The temperature-ramp experiments reveal Tdec,0 valuesvery close to the Tg,bulk values, as determined bydifferential scanning calorimetry (DSC). The PMMA of65.0 kg/mol shows a decreased value of Tg, while the PS samples of 3.47 and 10.3 kg/mol (Mw

Hypersonic elastic excitations in soft mesoscopic structures

This dissertation is devoted to the experimental exploration of the propagation of elastic waves in soft mesoscopic structures with submicrometer dimensions. A strong motivation of this work is the large technological relevance and the fundamental importance of the subject. Elastic waves are accompanied by time-dependent fluctuations of local stress and strain fields in the medium. As such, the propagation phase velocities are intimately related to the elastic moduli. Knowledge of the elastic wave propagation directly provides information about the mechanical properties of the probed mesoscopic structures, which are not readily accessible experimentally. On the other hand, elastic waves, when propagating in an inhomogeneous medium with spatial inhomogeneities comparable to their wavelength, exhibit rather rich behavior, including the appearance of novel physical phenomena, such as phononic bandgap formation. So far, the experimental work has been restricted to macroscopic structures, which limit wave propagation below the KHz range. It was anticipated that an experimental approach capable of probing the interplay of the wave propagation with the controlled mesoscopic structures would contribute to deeper insights into the fundamental problem of elastic wave propagation in inhomogeneous systems. The mesoscopic nature of the structures to be studied precludes the use of traditional methods, such as sound transmission, for the study of elastic wave propagation. In this work, an optical method utilizing the inelastic scattering of photons by GHz frequency thermally excited elastic waves, known as Brillouin light scattering spectroscopy (BLS), was employed. Two important classes of soft structures were investigated: thin films and colloidal crystals. For the former, the main interest was the effect of the one-dimensional (1D) confinement on the wave propagation due to the presence of the free-surface or interface of the layer and the utilization of these waves to extract relevant material parameters. For the second system, the primary interest was the interaction of the elastic wave and the strong scattering medium with local resonance units in a three-dimensional (3D) periodic arrangement.

Nanoporous alumina based hypersonic phononic hybrid structures studied by brillouin spectroscopy

Phononische Kristalle sind strukturierte Materialien mit sich periodisch ändernden elastischen Moduln auf der Wellenlängenskala. Die Interaktion zwischen Schallwellen und periodischer Struktur erzeugt interessante Interferenzphänomene, und phononische Kristalle erschließen neue Funktionalitäten, die in unstrukturierter Materie unzugänglich sind. Hypersonische phononische Kristalle im Speziellen, die bei GHz Frequenzen arbeiten, haben Periodizitäten in der Größenordnung der Wellenlänge sichtbaren Lichts und zeigen daher die Wege auf, gleichzeitig Licht- und Schallausbreitung und -lokalisation zu kontrollieren, und dadurch die Realisierung neuartiger akusto-optischer Anordnungen. Bisher bekannte hypersonische phononische Kristalle basieren auf thermoplastischen Polymeren oder Epoxiden und haben nur eingeschränkte thermische und mechanische Stabilität und mechanischen Kontrast. Phononische Kristalle, die aus mit Flüssigkeit gefüllten zylindrischen Kanälen in harter Matrix bestehen, zeigen einen sehr hohen elastischen Kontrast und sind bislang noch unerforscht. In dieser Dissertation wird die experimentelle Untersuchung zweidimensionaler hypersonischer phononischer Kristalle mit hexagonaler Anordnung zylindrischer Nanoporen basierend auf der Selbstorganisation anodischen Aluminiumoxids (AAO) beschrieben. Dazu wird die Technik der hochauflösenden inelastischen Brillouin Lichtstreuung (BLS) verwendet. AAO ist ein vielsetiges Modellsystem für die Untersuchung reicher phononischer Phänomene im GHz-Bereich, die eng mit den sich in den Nanoporen befindlichen Flüssigkeiten und deren Interaktion mit der Porenwand verknüpft sind. Gerichteter Fluss elastischer Energie parallel und orthogonal zu der Kanalachse, Lokalisierung von Phononen und Beeinflussung der phononischen Bandstruktur bei gleichzeitig präziser Kontrolle des Volumenbruchs der Kanäle (Porosität) werden erörtert. Außerdem ermöglicht die thermische Stabilität von AAO ein temperaturabhängiges Schalten phononischer Eigenschaften infolge temperaturinduzierter Phasenübergänge in den Nanoporen. In monokristallinen zweidimensionalen phononischen AAO Kristallen unterscheiden sich die Dispersionsrelationen empfindlich entlang zweier hoch symmetrischer Richtungen in der Brillouinzone, abhängig davon, ob die Poren leer oder gefüllt sind. Alle experimentellen Dispersionsrelationen werden unter Zuhilfenahme theoretische Ergebnisse durch finite Elemente Analyse (FDTD) gedeutet. Die Zuordnung der Verschiebungsfelder der elastischen Wellen erklärt die Natur aller phononischen Moden.

High frequency acoustics in colloid-based meso- and nanostructures by spontaneous Brillouin light scattering

Materials that can mold the flow of elastic waves of certain energy in certain directions are called phononic materials. The present thesis deals essentially with such phononic systems, which are structured in the mesoscale (<1 µm), and with their individual components. Such systems show interesting phononic properties in the hypersonic region, i.e., at frequencies in the GHz range. It is shown that colloidal systems are excellent model systems for the realization of such phononic materials. Therefore, different structures and particle architectures are investigated by Brillouin light scattering, the inelastic scattering of light by phonons.rnThe experimental part of this work is divided into three chapters: Chapter 4 is concerned with the localized mechanical waves in the individual spherical colloidal particles, i.e., with their resonance- or eigenvibrations. The investigation of these vibrations with regard to the environment of the particles, their chemical composition, and the influence of temperature on nanoscopically structured colloids allows novel insights into the physical properties of colloids at small length scales. Furthermore, some general questions concerning light scattering on such systems, in dispute so far, are convincingly addressed.rnChapter 5 is a study of the traveling of mechanical waves in colloidal systems, consisting of ordered and disordered colloids in liquid or elastic matrix. Such systems show acoustic band gaps, which can be explained geometrically (Bragg gap) or by the interaction of the acoustic band with the eigenvibrations of the individual spheres (hybridization gap).rnWhile the latter has no analogue in photonics, the presence of strong phonon scatterers, when a large elastic mismatch between the composite components exists, can largely impact phonon propagation in analogy to strong multiple light scattering systems. The former is exemplified in silica based phononic structures that opens the door to new ways of sound propagation manipulation.rnChapter 6 describes the first measurement of the elastic moduli in newly fabricated by physical vapor deposition so-called ‘stable organic glasses’. rnIn brief, this thesis explores novel phenomena in colloid-based hypersonic phononic structures, utilizing a versatile microfabrication technique along with different colloid architectures provided by material science, and applying a non-destructive optical experimental tool to record dispersion diagrams.rn

Dynamik diabatischer Rossby-Wellen

Diabatische Rossby-Wellen (DRWs) sind zyklonale Wirbel in der unteren Troposphäre, welche sich durch einen thermodynamisch-dynamischen Mechanismus kontinuierlich regenerieren und dabei schnell propagieren können. Vorangehende Untersuchungen schreiben derartigen zyklonalen Wirbeln das Potential zu, unter Wechselwirkung mit einer Anomalie an der Tropopause eine rapide Zyklonenintensivierung und folglich extreme Wetterereignisse hervorrufen zu können. DRWs wurden bisher meist in idealisierten Studien untersucht, woraus sich noch einige offene Fragen zu diesem Phänomen, besonders in realen Modelldaten, ergeben.rnrnIm Mittelpunkt dieser Arbeit steht die Fallstudie einer DRW, die im Dezember 2005 über dem Nordatlantik auftrat. Der Lebenszyklus des Systems ist über mehrere Tage und durch verschiedene Phasen verfolgbar und resultiert in einer explosiven Druckvertiefung. Zur Untersuchung der Fallstudie wurde mit operationellen Daten eines Globalmodelles sowie mit den Resultaten eines feinskaligeren Regionalmodelles gearbeitet, auf welche unterschiedliche Analysewerkzeuge angewendet wurden. rnrnDie eingehende Untersuchung der Propagationsphase der DRW bekräftigte das Vorhandensein von genügend Feuchte und Baroklinität als essentiell für den Propagationsmechanismus und die Intensität der DRW. Während der Propagationsphase arbeitet der selbsterhaltende DRW-Mechanismus unabhängig von einer von den Wellen an der Tropopause ausgehenden Anregung. Sensitivitätsstudien mit dem Regionalmodell, in denen die Umgebungsbedingungen der DRW lokal modifiziert wurden, ergaben, dass die Propagation einen relativ robusten Ablauf darstellt. Dementsprechend war in den vier untersuchten operationellen Vorhersagen die Propagationsphase gut wiedergegeben, während die rapide Intensivierung, wie sie gemäß den Analysen aufgetreten ist, von zwei der Vorhersagen verfehlt wurde.rnrnBei der Untersuchung der Intensivierungsphase stellten sich die Position und die zeitliche Abstimmung der Bewegung der Anomalie an der Tropopause relativ zur DRW in der unteren Troposphäre sowie die Stärke der Systeme als entscheidende Einflussfaktoren heraus. In den Entwicklungen der Sensitivitätssimulationen deutete sich an, dass ein unabhängig von der DRW an geeigneter Position entstandener zyklonaler Wirbel konstruktiver zu einer starken Zyklonenintensivierung beitragen kann als die DRW.rnrnIm zweiten Teil der Arbeit wurde ein Datensatz über die Nordhemisphäre für die Jahre 2004-2008 hinsichtlich des geographischen Vorkommens und der Intensivierung von DRWs untersucht. DRWs ereigneten sich in diesem Zeitraum über dem Atlantik (255 DRWs) halb so oft wie über dem Pazifik (515 DRWs). Ihre Entstehungsgebiete befanden sich über den Ostteilen der Kontinente und den Westhälften der Ozeane. Die Zugbahnen folgten größtenteils der baroklinen Zone der mittleren Breiten. Von den erfassten DRWs intensivierten sich im Atlanik 16% zu explosiven Tiefdruckgebieten, über dem Pazifik liegt der Anteil mit 11% etwas niedriger. Damit tragen DRWs zu etwa 20% der sich explosiv intensivierenden außertropischen Zyklonen bei.

Diagnose der Residuumszirkulation und ihre Bedeutung für die Klimavariabilität der Stratosphäre

Mit einem in dieser Arbeit entwickelten Diagnose-Werkzeug wird im Rahmenrneines einfachen mechanistischenModells die Residuumszirkulation in der Stratosphärernermittelt. Die Residuumszirkulation wird als eine Schlüsselgröße für diernKlimavariabilität der Stratosphäre angesehen. Für die Diagnose wird mit einemrnmechanistischem Modell die Ausbreitung und das Brechen planetarer Wellenrnbeschrieben und der daraus resultierende Wellenantrieb bestimmt. Dieser Wellenantriebrnwird verwendet, um mit der numerischen Lösung einer elliptischenrnDifferentialgleichung die Residuumszirkulation zu berechnen.rnDieses Diagnose-Werkzeug wird genutzt, um in atmosphärischen Reanalysedatenrnden Zusammenhang der Residuumszirkulation mit verschiedenen Modenrnstratosphärischer Klimavariabilität zu untersuchen. Während für unterschiedlichernPhasen der quasi-zweijährigen Schwingung und der Nordatlantischen Oszillationrndie Residuumszirkulation deutliche Unterschiede aufzeigt, kann ein Einflussrndes 11-jährigen Sonnenfleckenzyklus auf die Residuumszirkulation nichtrneindeutig nachgewiesen werden. Eine Datenstudie zeigt, dass in den WintermonatenrnDezember und Januar die Stärke der Residuumszirkulation mit derrnTemperatur der unteren polaren Stratosphäre signifikant korreliert ist.

IMEX finite volume methods for the shallow water equations

Die Flachwassergleichungen (SWE) sind ein hyperbolisches System von Bilanzgleichungen, die adäquate Approximationen an groß-skalige Strömungen der Ozeane, Flüsse und der Atmosphäre liefern. Dabei werden Masse und Impuls erhalten. Wir unterscheiden zwei charakteristische Geschwindigkeiten: die Advektionsgeschwindigkeit, d.h. die Geschwindigkeit des Massentransports, und die Geschwindigkeit von Schwerewellen, d.h. die Geschwindigkeit der Oberflächenwellen, die Energie und Impuls tragen. Die Froude-Zahl ist eine Kennzahl und ist durch das Verhältnis der Referenzadvektionsgeschwindigkeit zu der Referenzgeschwindigkeit der Schwerewellen gegeben. Für die oben genannten Anwendungen ist sie typischerweise sehr klein, z.B. 0.01. Zeit-explizite Finite-Volume-Verfahren werden am öftersten zur numerischen Berechnung hyperbolischer Bilanzgleichungen benutzt. Daher muss die CFL-Stabilitätsbedingung eingehalten werden und das Zeitinkrement ist ungefähr proportional zu der Froude-Zahl. Deswegen entsteht bei kleinen Froude-Zahlen, etwa kleiner als 0.2, ein hoher Rechenaufwand. Ferner sind die numerischen Lösungen dissipativ. Es ist allgemein bekannt, dass die Lösungen der SWE gegen die Lösungen der Seegleichungen/ Froude-Zahl Null SWE für Froude-Zahl gegen Null konvergieren, falls adäquate Bedingungen erfüllt sind. In diesem Grenzwertprozess ändern die Gleichungen ihren Typ von hyperbolisch zu hyperbolisch.-elliptisch. Ferner kann bei kleinen Froude-Zahlen die Konvergenzordnung sinken oder das numerische Verfahren zusammenbrechen. Insbesondere wurde bei zeit-expliziten Verfahren falsches asymptotisches Verhalten (bzgl. der Froude-Zahl) beobachtet, das diese Effekte verursachen könnte.Ozeanographische und atmosphärische Strömungen sind typischerweise kleine Störungen eines unterliegenden Equilibriumzustandes. Wir möchten, dass numerische Verfahren für Bilanzgleichungen gewisse Equilibriumzustände exakt erhalten, sonst können künstliche Strömungen vom Verfahren erzeugt werden. Daher ist die Quelltermapproximation essentiell. Numerische Verfahren die Equilibriumzustände erhalten heißen ausbalanciert.rnrnIn der vorliegenden Arbeit spalten wir die SWE in einen steifen, linearen und einen nicht-steifen Teil, um die starke Einschränkung der Zeitschritte durch die CFL-Bedingung zu umgehen. Der steife Teil wird implizit und der nicht-steife explizit approximiert. Dazu verwenden wir IMEX (implicit-explicit) Runge-Kutta und IMEX Mehrschritt-Zeitdiskretisierungen. Die Raumdiskretisierung erfolgt mittels der Finite-Volumen-Methode. Der steife Teil wird mit Hilfe von finiter Differenzen oder au eine acht mehrdimensional Art und Weise approximniert. Zur mehrdimensionalen Approximation verwenden wir approximative Evolutionsoperatoren, die alle unendlich viele Informationsausbreitungsrichtungen berücksichtigen. Die expliziten Terme werden mit gewöhnlichen numerischen Flüssen approximiert. Daher erhalten wir eine Stabilitätsbedingung analog zu einer rein advektiven Strömung, d.h. das Zeitinkrement vergrößert um den Faktor Kehrwert der Froude-Zahl. Die in dieser Arbeit hergeleiteten Verfahren sind asymptotisch erhaltend und ausbalanciert. Die asymptotischer Erhaltung stellt sicher, dass numerische Lösung das &amp;amp;quot;korrekte&amp;amp;quot; asymptotische Verhalten bezüglich kleiner Froude-Zahlen besitzt. Wir präsentieren Verfahren erster und zweiter Ordnung. Numerische Resultate bestätigen die Konvergenzordnung, so wie Stabilität, Ausbalanciertheit und die asymptotische Erhaltung. Insbesondere beobachten wir bei machen Verfahren, dass die Konvergenzordnung fast unabhängig von der Froude-Zahl ist.