Goldnanoteilchen auf Titandioxid

In dieser Arbeit wurde das Wachstum sowie die ultraschnelle Elektronendynamik des Oberflächenplasmon Polaritons von Goldnanoteilchen auf Titandioxid untersucht. Die Messung der Dephasierungszeit des Oberflächenplasmons von Nanoteilchen mit definierter Form und Größe erfolgte dabei mit der Methode des spektralen Lochbrennens. Die Nanoteilchen wurden durch Deposition von Goldatomen aus einem thermischen Atomstrahl mit anschließender Diffussion und Nukleation, d.h. Volmer-Weber-Wachstum, auf Titandioxidsubstraten hergestellt und mittels einer Kombination aus optischer Spektroskopie und Rasterkraftmikroskopie systematisch untersucht. Dabei lässt sich das Nanoteilchenensemble durch das mittlere Achsverhältnis und den mittleren Äquivalentradius charakterisieren. Die Messungen zeigen, dass die Proben große Größen- und Formverteilungen aufweisen und ein definierter Zusammenhang zwischen Größe und Form der Teilchen existiert. Während kleine Goldnanoteilchen nahezu kugelförmig sind, flachen die Teilchen mit zunehmender Größe immer mehr ab. Des Weiteren wurde in dieser Arbeit die Methode des lasergestützten Wachstums auf das System Gold auf Titandioxid angewendet. Systematische Untersuchungen zeigten, dass sich das Achsverhältnis der Teilchen durch geeignete Wahl von Photonenenergie und Fluenz des eingestrahlten Laserlichts definiert und gezielt vorgeben lässt. Die Methode des lasergestützten Wachstums erschließt damit den Bereich außerhalb der Zugänglichkeit des natürlichen Wachstums. Aufgrund der Formabhängigkeit der spektrale Lage der Plasmonresonanz ist man somit in der Lage, die optischen Eigenschaften der Nanoteilchen gezielt einzustellen und z.B. für technische Anwendungen zu optimieren. Die Untersuchung der ultraschnellen Elektronendynamik von Goldnanoteilchen auf Titandioxid mit äquivalenten Radien zwischen 8 bis 15 nm erfolgte in dieser Arbeit mit der Methode des spektralen Lochbrennes. Hierzu wurde die Dephasierungszeit des Oberflächenplasmons systematisch als Funktion der Photonenenergie in einem Bereich von 1,45 bis 1,85 eV gemessen. Es zeigte sich, dass die gemessenen Dephasierungszeiten von 8,5 bis 16,2 fs deutlich unter den in der dielektrischen Funktion von Gold enthaltenen Werten lagen, was den erwarteten Einfluss der reduzierten Dimension der Teilchen demonstriert. Um die Messwerte trotz verschiedener Teilchengrößen untereinander vergleichen und den Einfluss der intrinsischen Dämpfung quantifizieren zu können, wurde zusätzlich der Dämpfungsparameter A bestimmt. Die ermittelten A-Faktoren zeigten dabei eine starke Abhängigkeit von der Plasmonenergie. Für Teilchen mit Plasmonenergien von 1,45 bis 1,55 eV wurde ein Dämpfungsfaktor von A ~ 0,2 nm/fs ermittelt, der lediglich Oberflächenstreuung als dominierenden Dämpfungsmechanismus widerspiegelt. Hingegen wurde für Teilchen mit Plasmonenergien oberhalb von 1,55 eV ein drastischer Anstieg der Dämpfung auf A ~ 0,4 nm/fs beobachtet. Die erhöhte Dämpfung wurde dabei dem zusätzlichen Vorliegen einer chemischen Dämpfung durch das Titandioxidsubstrat zugeschrieben. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse somit, dass eine starke Abhängigkeit der chemischen Dämpfung von der Photonenenergie vorliegt. Es konnte erstmals nachgewiesen werden, dass die chemische Dämpfung erst ab einer bestimmten unteren Schwelle der Photonenenergie einsetzt, die für Goldnanoteilchen auf Titandioxid bei etwa 1,6 eV liegt.

Die aeroelastische Stabilitätsanalyse – ein praxisnaher Ansatz zur intervalltheoretischen Betrachtung von Modellierungsunsicherheiten am Flugzeug

Die Untersuchung des dynamischen aeroelastischen Stabilitätsverhaltens von Flugzeugen erfordert sehr komplexe Rechenmodelle, welche die wesentlichen elastomechanischen und instationären aerodynamischen Eigenschaften der Konstruktion wiedergeben sollen. Bei der Modellbildung müssen einerseits Vereinfachungen und Idealisierungen im Rahmen der Anwendung der Finite Elemente Methode und der aerodynamischen Theorie vorgenommen werden, deren Auswirkungen auf das Simulationsergebnis zu bewerten sind. Andererseits können die strukturdynamischen Kenngrößen durch den Standschwingungsversuch identifiziert werden, wobei die Ergebnisse Messungenauigkeiten enthalten. Für eine robuste Flatteruntersuchung müssen die identifizierten Unwägbarkeiten in allen Prozessschritten über die Festlegung von unteren und oberen Schranken konservativ ermittelt werden, um für alle Flugzustände eine ausreichende Flatterstabilität sicherzustellen. Zu diesem Zweck wird in der vorliegenden Arbeit ein Rechenverfahren entwickelt, welches die klassische Flatteranalyse mit den Methoden der Fuzzy- und Intervallarithmetik verbindet. Dabei werden die Flatterbewegungsgleichungen als parameterabhängiges nichtlineares Eigenwertproblem formuliert. Die Änderung der komplexen Eigenlösung infolge eines veränderlichen Einflussparameters wird mit der Methode der numerischen Fortsetzung ausgehend von der nominalen Startlösung verfolgt. Ein modifizierter Newton-Iterations-Algorithmus kommt zur Anwendung. Als Ergebnis liegen die berechneten aeroelastischen Dämpfungs- und Frequenzverläufe in Abhängigkeit von der Fluggeschwindigkeit mit Unschärfebändern vor.

Detecting ultrafast interatomic electronic processes in media by fluorescence

Interatomic coulombic decay (ICD), a radiationless transition in weakly bonded systems, such as solutes or van der Waals bound aggregates, is an effective source for electrons of low kinetic energy. So far, the ICD processes could only be probed in ultra-high vacuum by using electron and/or ion spectroscopy. Here we show that resonant ICD processes can also be detected by measuring the subsequently emitted characteristic fluorescence radiation, which makes their study in dense media possible.

Magneto-optische Oberflächenplasmonresonanzeffekte in austauschverschobenen Dünnschichtsystemen

Die Wechselwirkungen zwischen Biomolekülen spielen eine zentrale Rolle in der biochemischen und pharmazeutischen Forschung. In der biomolekularen Interaktionsanalyse sind dabei Biosensoren auf Basis des Oberflächenplasmonresonanzeffekts (SPR-Effekt) weitverbreitet. Seit Einführung der ersten kommerziellen SPR-Biosensoren Anfang der 1990er Jahre wurden verschiedenste Messanordnungen sowie Materialsysteme mit dem Ziel einer möglichst hohen Empfindlichkeit getestet. Eine Möglichkeit zur Steigerung der Empfindlichkeit klassischer SPR-Systeme bieten sogenannte magneto-optische SPR-Biosensoren (MOSPR-Biosensoren). Grundlage der Empfindlichkeitssteigerung ist die gleichzeitige Messung des SPR-Effekts und des transversalen magneto-optischen KERR-Effekts (tMOKE). Bisherige Untersuchungen haben sich meist auf den Einfluss der Magnetisierung freier ferromagnetischer Schichten beschränkt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden erstmals austauschverschobene Dünnschichtsysteme (EB-Systeme), eine Kombination aus Ferromagnet und Antiferromagnet, hinsichtlich ihrer Eignung für SPR- und MOSPR-basierte biosensorische Anwendungen untersucht. Aufgrund der remanenten Magnetisierung der ferromagnetischen Schicht und ihrer magnetischen Strukturierbarkeit sind EB-Systeme eine hochinteressante Plattform zur Realisierung neuer Biosensorkonzepte. Zur Reduzierung der stark dämpfendenden Wirkung magnetischer Materialien wurde das hier betrachtete IrMn/Co EB-System zwischen zwei Goldschichten eingebettet. Eine Gegenüberstellung optimierter Au/ IrMn/Co/Au-Systeme mit einem reinen Au-System, wie es typischerweise in kommerziellen SPR-basierten Biosensoren eingesetzt wird, demonstriert, dass mit den entwickelten EB-Systemen vergleichbare Empfindlichkeiten in SPR-Sensor-Anwendungen erreicht werden können. Die magneto-optische Aktivität der untersuchten Dünnschichtsysteme liegt im Bereich der Literaturwerte für Au/Co/Au-Systeme, mit denen erhöhte Empfindlichkeiten gegenüber Standard-SPR-Biosensoren realisiert wurden. Auf Grundlage magnetisch strukturierter Au/IrMn/Co/Au-Systeme wurden neue Biosensorkonzepte entwickelt und getestet. Erste Experimente belegen, dass mit diesen Schichtsystemen eine gleichzeitige Detektion der magnetisierungsabhängigen Reflektivitäten in ortsauflösenden MOSPR-Messungen möglich ist. Eine solche Messanordnung profitiert von der erhöhten Empfindlichkeit MOSPR-basierter Biosensoren, hohen Messgeschwindigkeiten und einem verbesserten Signal-Rausch-Verhältnis. Weiterhin wurde der domänenwandassistierte Transport (DOWMAT) superparamagnetischer Partikel über der Oberfläche eines exemplarischen EB-Systems, zur Sensorintegration von Misch-, Reinigungs- und Aufkonzentrationsfunktionen erfolgreich getestet. Die Ergebnisse demonstrieren, dass ein Transport von Partikelreihen mit hohen Geschwindigkeiten bei moderaten externen Magnetfeldern über den entwickelten Schichtsystemen möglich ist. Die Agglomeration der Partikel wird dabei intrinsisch vermieden. Diese Beobachtungen verdeutlichen die Vorzüge des DOWMAT-Mechanismus für biosensorische Anwendungen. Die präsentierten Untersuchungen bilden die Grundlage auf dem Weg zur Umsetzung neuer vielversprechender Biosensorkonzepte, die eine Schlüsselfunktion in der medizinischen point-of-care-Diagnostik bei der Detektion kleinster Konzentrationen krankheitsrelevanter Biomarker einnehmen können.

Exploiting non-Markovianity for quantum control

Quantum technology, exploiting entanglement and the wave nature of matter, relies on the ability to accurately control quantum systems. Quantum control is often compromised by the interaction of the system with its environment since this causes loss of amplitude and phase. However, when the dynamics of the open quantum system is non-Markovian, amplitude and phase flow not only from the system into the environment but also back. Interaction with the environment is then not necessarily detrimental. We show that the back-flow of amplitude and phase can be exploited to carry out quantum control tasks that could not be realized if the system was isolated. The control is facilitated by a few strongly coupled, sufficiently isolated environmental modes. Our paradigmatic example considers a weakly anharmonic ladder with resonant amplitude control only, restricting realizable operations to SO(N). The coupling to the environment, when harnessed with optimization techniques, allows for full SU(N) controllability.

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Semiactive control strategies for vibration mitigation in adaptronic structures equipped with magnetorheological dampers

Los sistemas tales como edificios y veh¨ªculos est¨¢n sujetos a vibraciones que pueden causar mal funcionamiento, incomodidad o colapso. Para mitigar estas vibraciones, se suelen instalar amortiguadores. Estas estructuras se convierten en sistemas adaptr¨®nicos cuando los amortiguadores son controlables. Esta tesis se enfoca en la soluci¨®n del problema de vibraciones en edificios y veh¨ªculos usando amortiguadores magnetoreol¨®gicos (MR). Estos son unos amortiguadores controlables caracterizados por una din¨¢mica altamente no lineal. Adem¨¢s, los sistemas donde se instalan se caracterizan por la incertidumbre param¨¦trica, la limitaci¨®n de medidas y las perturbaciones desconocidas, lo que obliga al uso de t¨¦cnicas complejas de control. En esta tesis se usan Backstepping, QFT y H2/H¡Þ mixto para resolver el problema. Las leyes de control se verifican mediante simulaci¨®n y experimentaci¨®n.

Reducció de vibracions residuals en moviments transitoris. Definició de lleis de moviment per mitjà de corbes B-spline

Molts sistemes mecànics existents tenen un comportament vibratori funcionalment perceptible, que es posa de manifest enfront d'excitacions transitòries. Normalment, les vibracions generades segueixen presents després del transitori (vibracions residuals), i poden provocar efectes negatius en la funció de disseny del mecanisme. El mètode que es proposa en aquesta tesi té com a objectiu principal la síntesi de lleis de moviment per reduir les vibracions residuals. Addicionalment, els senyals generats permeten complir dues condicions definides per l'usuari (anomenats requeriments funcionals). El mètode es fonamenta en la relació existent entre el contingut freqüencial d'un senyal transitori, i la vibració residual generada, segons sigui l'esmorteïment del sistema. Basat en aquesta relació, i aprofitant les propietats de la transformada de Fourier, es proposa la generació de lleis de moviment per convolució temporal de polsos. Aquestes resulten formades per trams concatenats de polinomis algebraics, cosa que facilita la seva implementació en entorns numèrics per mitjà de corbes B-spline.

Numerical simulation of baroclinic waves with a parameterized boundary layer

A dry three-dimensional baroclinic life cycle model is used to investigate the role of turbulent fluxes of heat and momentum within the boundary layer on mid-latitude cyclones. Simulations are performed of life cycles for two basic states, both with and without turbulent fluxes. The different basic states produce cyclones with contrasting frontal and mesoscale-flow structures. The analysis focuses on the generation of potential-vorticity (PV) in the boundary layer and its subsequent transport into the free troposphere. The dynamic mechanism through which friction mitigates a barotropic vortex is that of Ekman pumping. This has often been assumed to be also the dominant mechanism for baroclinic developments. The PV framework highlights an additional, baroclinic mechanism. Positive PV is generated baroclinically due to friction to the north-east of a surface low and is transported out of the boundary layer by a cyclonic conveyor belt flow. The result is an anomaly of increased static stability in the lower troposphere which restricts the growth of the baroclinic wave. The reduced coupling between lower and upper levels can be sufficient to change the character of the upper-level evolution of the mature wave. The basic features of the baroclinic damping mechanism are robust for different frontal structures, with and without turbulent heat fluxes, and for the range of surface roughness found over the oceans.

On the sensitivity of annular mode dynamics to stratospheric radiative timescales

Long decorrelation timescales of the annular mode are observed in the lower stratosphere. This study uses a simple dynamical model, which has been used extensively to study stratosphere-troposphere coupling, to investigate the origin of the long dynamical timescales. Several long runs of the model are completed, with different imposed thermal damping timescales in the stratosphere. The dynamical timescales of the annular mode are found to be largely insensitive to the input thermal damping timescales, producing similar dynamical timescales in all cases below 50hPa. This result suggests that the hypothesis that long timescales in the lower stratosphere are due to long radiative timescales in this region is false.

The impact of moist processes on the African easterly jet-African easterly wave system

The African Easterly Jet-Easterly Wave (AEJ-AEW) system was explored in an idealised model. Prescribed zonally symmetric surface temperature and moisture profiles determine the AEJ which becomes established through meridional contrasts in dry and moist convection.As in previous studies, a realistic AEJ developed with only dry convection. Including moist processes, increased its development rate, but reduced its speed and meridional extent. AEWs grew through barotropic-baroclinic conversions. Negative meridional potential vorticity (PV) gradients arose in the zonally symmetric state through the intrusion of the low-PV Saharan boundary layer. Since moist processes strengthened this significantly through diabatically generated PV in the Intertropical Convergence Zone, moist AEWs were three times stronger. Larger barotropic conversions and faster AEJ development increased the moist wave growth-rate. Jet-level and northerly low-level amplitudes grew, but in the moist case the low-level amplitudes weakened as the AEW interacted with convection, consistent with their absence from observations during the peak monsoon. Striking dependencies between the AEJ, AEW and rainfall existed. Two time-scales governed their evolution, depending on the transfer coefficients: (1) the AEJ's replenishment rate influenced by heat fluxes, and (2) the wave growth-rate, by damping, and the slower jet development rate.Moist AEWs were characterized by intermittent growth/decay, with growth preceded by increased mean rainfall and later, weakening AEJs. These dependencies established an internal 8-10-day variability, consistent with intra-seasonal observations of 9-day rainy sequences. This internal variability offers an alternative explanation to the previously proposed external forcing and a new view of the moist AEW life cycle. Copyright © 2009 Royal Meteorological Society

Sonic to ultrasonic Q of sandstones and limestones: Laboratory measurements at in situ pressures

Laboratory measurements of the attenuation and velocity dispersion of compressional and shear waves at appropriate frequencies, pressures, and temperatures can aid interpretation of seismic and well-log surveys as well as indicate absorption mechanisms in rocks. Construction and calibration of resonant-bar equipment was used to measure velocities and attenuations of standing shear and extensional waves in copper-jacketed right cylinders of rocks (30 cm in length, 2.54 cm in diameter) in the sonic frequency range and at differential pressures up to 65 MPa. We also measured ultrasonic velocities and attenuations of compressional and shear waves in 50-mm-diameter samples of the rocks at identical pressures. Extensional-mode velocities determined from the resonant bar are systematically too low, yielding unreliable Poisson's ratios. Poisson's ratios determined from the ultrasonic data are frequency corrected and used to calculate the sonic-frequency compressional-wave velocities and attenuations from the shear- and extensional-mode data. We calculate the bulk-modulus loss. The accuracies of attenuation data (expressed as 1000/Q, where Q is the quality factor) are +/- 1 for compressional and shear waves at ultrasonic frequency, +/- 1 for shear waves, and +/- 3 for compressional waves at sonic frequency. Example sonic-frequency data show that the energy absorption in a limestone is small (Q(P) greater than 200 and stress independent) and is primarily due to poroelasticity, whereas that in the two sandstones is variable in magnitude (Q(P) ranges from less than 50 to greater than 300, at reservoir pressures) and arises from a combination of poroelasticity and viscoelasticity. A graph of compressional-wave attenuation versus compressional-wave velocity at reservoir pressures differentiates high-permeability (> 100 mD, 9.87 X 10(-14) m(2)) brine-saturated sandstones from low-permeability (< 100 mD, 9.87 X 10 (14) m(2)) sandstones and shales.

Annular variability and eddy-zonal flow interactions in a simplified atmospheric GCM. Part 1: Characterization of high and low frequency behaviour

Experiments have been performed using a simplified, Newtonian forced, global circulation model to investigate how variability of the tropospheric jet can be characterized by examining the combined fluctuations of the two leading modes of annular variability. Eddy forcing of this variability is analyzed in the phase space of the leading modes using the vertically integrated momentum budget. The nature of the annular variability and eddy forcing depends on the time scale. At low frequencies the zonal flow and baroclinic eddies are in quasi equilibrium and anomalies propagate poleward. The eddies are shown primarily to reinforce the anomalous state and are closely balanced by the linear damping, leaving slow evolution as a residual. At high frequencies the flow is strongly evolving and anomalies are initiated on the poleward side of the tropospheric jet and propagate equatorward. The eddies are shown to drive this evolution strongly: eddy location and amplitude reflect the past baroclinicity, while eddy feedback on the zonal flow may be interpreted in terms of wave breaking associated with baroclinic life cycles in lateral shear.

Atmosphere feedbacks during ENSO in a coupled GCM with a modified atmospheric convection scheme

The too diverse representation of ENSO in a coupled GCM limits one’s ability to describe future change of its properties. Several studies pointed to the key role of atmosphere feedbacks in contributing to this diversity. These feedbacks are analyzed here in two simulations of a coupled GCM that differ only by the parameterization of deep atmospheric convection and the associated clouds. Using the Kerry–Emanuel (KE) scheme in the L’Institut Pierre-Simon Laplace Coupled Model, version 4 (IPSL CM4; KE simulation), ENSO has about the right amplitude, whereas it is almost suppressed when using the Tiedke (TI) scheme. Quantifying both the dynamical Bjerknes feedback and the heat flux feedback in KE, TI, and the corresponding Atmospheric Model Intercomparison Project (AMIP) atmosphere-only simulations, it is shown that the suppression of ENSO in TI is due to a doubling of the damping via heat flux feedback. Because the Bjerknes positive feedback is weak in both simulations, the KE simulation exhibits the right ENSO amplitude owing to an error compensation between a too weak heat flux feedback and a too weak Bjerknes feedback. In TI, the heat flux feedback strength is closer to estimates from observations and reanalysis, leading to ENSO suppression. The shortwave heat flux and, to a lesser extent, the latent heat flux feedbacks are the dominant contributors to the change between TI and KE. The shortwave heat flux feedback differences are traced back to a modified distribution of the large-scale regimes of deep convection (negative feedback) and subsidence (positive feedback) in the east Pacific. These are further associated with the model systematic errors. It is argued that a systematic and detailed evaluation of atmosphere feedbacks during ENSO is a necessary step to fully understand its simulation in coupled GCMs.