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Subject: search.filters.subject.530Start date: 2020End date: 2022

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    Nanoscale magnetic resonance spectroscopy with nitrogen-vacancy centers in diamond
    (2021) Paone, Domenico; Wrachtrup, Jörg (Prof. Dr.)
    Stickstoff-Fehlstellen (NV-Zentren) in Diamant bilden interessante Quantensysteme, welche für Quanten-Sensing Protokolle genutzt werden können. In der vorliegenden Arbeit, werden NV-Zentren genutzt, um einzelne Molekülsysteme auszulesen und supraleitende Proben lokal zu charakterisieren. Zusätzlich werden Methoden entwickelt, um die Spineigenschaften der NV-Zentren zu optimieren, welche dann Einfluss auf das Sensorikverhalten des Systems haben.
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    Finite-temperature interplay of structural stability, chemical complexity, and elastic properties of bcc multicomponent alloys from ab initio trained machine-learning potentials
    (2021) Gubaev, Konstantin; Ikeda, Yuji; Tasnádi, Ferenc; Neugebauer, Jörg; Shapeev, Alexander V.; Grabowski, Blazej; Körmann, Fritz
    An active learning approach to train machine-learning interatomic potentials (moment tensor potentials) for multicomponent alloys to ab initio data is presented. Employing this approach, the disordered body-centered cubic (bcc) TiZrHfTax system with varying Ta concentration is investigated via molecular dynamics simulations. Our results show a strong interplay between elastic properties and the structural ω phase stability, strongly affecting the mechanical properties. Based on these insights we systematically screen composition space for regimes where elastic constants show little or no temperature dependence (elinvar effect).
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    Entwicklung laserspektroskopischer Methoden zur Analyse der Verdunstungseigenschaften von Brennstofftropfen
    (Stuttgart : Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Verbrennungstechnik, 2021) Werner, Stefanie; Riedel, Uwe (Prof. Dr. rer. nat.)
    Die steigenden Emissionen des klimaschädlichen Treibhausgases CO2 durch die Verbrennung von fossilen, endlichen Energieträgern müssen möglichst schnell und nachhaltig reduziert werden. Ein vielversprechender Lösungsansatz zur Reduzierung der Schadstoffemissionen bei der Verbrennung liegt in dem Einsatz von alternativen und erneuerbaren Brennstoffen. Als Energieträger bieten sich auf Grund ihrer hohen Energiedichte vor allem flüssige Brennstoffe an. Diese werden typischerweise durch Druckzerstäubung in die Brennkammer eingebracht, verdunstet und dann mit dem Oxidationsmittel vermischt und verbrannt. Die Verdunstung der kleinen Brennstofftropfen des sogenannten Sprays ist von entscheidender Bedeutung für den Gesamtverbrennungsprozess in Verbrennungsmotoren und Gasturbinen. Im Allgemeinen bestimmt die Verdunstungsrate die Verbrennungsrate. Daher sind Modelle notwendig, die eine genaue Vorhersage der Brennstoffverdunstung ermöglichen. Zur Validierung dieser Modelle werden quantitative Messungen unter genau definierten Randbedingungen benötigt. Da die Prozesse in technischen Brennkammern sehr komplex sind, werden Experimente zur Tropfenverdunstung häufig mit linearen, monodispersen Tropfenketten durchgeführt, um die Kopplung zwischen den verschiedenen Effekten zu minimieren. Durch die geringe Größe der Tropfen (typischerweise wenige hundert Mikrometer oder weniger), erfordert die experimentelle Untersuchung eine hohe räumliche Auflösung. In dieser Arbeit wurden quantitative, laseroptische Messtechniken mit hoher räumlicher Auflösung zur experimentellen Untersuchung der Tropfenverdunstung an monodispersen Tropfenketten entwickelt. Mit den Messtechniken wurden Validierungsdaten für die Verdunstungseigenschaften von verschiedenen Brennstoffen bestimmt. Konzentrationsmessungen von verdunsteten Kohlenwasserstoffen wurden unter Verwendung von Infrarot-Laserabsorptionsspektroskopie und laserinduzierter Fluoreszenzspektroskopie (LIF) durchgeführt. Tropfenketten wurden mit einem Tropfenkettengenerator erzeugt, welcher vertikal in einem Strömungskanal installiert wurde. Die untersuchten Brennstoffe waren Cyclohexan, iso-Octan, n-Heptan, n-Pentan, 1-Butanol und Anisol. Der Strömungskanal wurde mit einer laminaren Luftströmung bei verschiedenen Temperaturen (313 K - 430 K) durchströmt. Da die untersuchten Tropfen einen Durchmesser in der Größenordnung von 120 bis 160 µm hatten und die Konzentrationsgradienten nahe der Tropfenoberfläche groß waren, war eine hohe räumliche Auflösung der Messtechniken erforderlich. Die Absorptionsmessungen wurden mit der Infrarotstrahlung eines HeNe-Lasers bei λ = 3,39 µm durchgeführt, um die CH-Streckschwingung der Kohlenwasserstoffe anzuregen. Die für die Quantifizierung der Brennstoffkonzentrationen benötigten Absorptionsquerschnitte wurden in einer beheizten Gaszelle für Temperaturen von 300 K - 773 K bestimmt. Die räumliche Auflösung im Strömungskanal betrug < 50 µm über eine Länge von 2 mm (Halbwertsbreite). Durch die Zylindersymmetrie und gute Stabilität der Tropfenketten konnten zeitliche Mittelungs- und Tomografieverfahren angewandt werden. Hierdurch konnten radiale Konzentrationsprofile an mehreren Positionen im Strömungskanal erhalten werden. Aus dem Anstieg der Dampfkonzentration an verschiedenen Messpositionen konnte die Verdunstungsrate bestimmt werden. Die Verdunstungsraten wurden in Abhängigkeit von der Mantelstromtemperatur (313 K - 430 K), der Tropfengeschwindigkeit (8 m/s - 23 m/s), der Tropfenerzeugungsfrequenz (12 kHz - 75 kHz) und dem Tropfenabstand (300 µm - 685 µm) gemessen. Im untersuchten Temperaturbereich steigt die Verdunstungsrate des Brennstoffs linear mit der Temperatur an. Die Reihenfolge der Brennstoffe in Bezug auf die Verdunstungsrate entspricht den Siedepunkten der einzelnen Brennstoffe. Da technische Brennstoffe häufig eine Mischung mehrerer Komponenten sind, ist die Untersuchung von Brennstoffgemischen von großem Interesse. Daher wurde ein Messverfahren entwickelt, um binäre Gemische zu untersuchen. Das Verfahren wurde verwendet, um eine Mischung aus Cyclohexan und Anisol zu untersuchen. Zwei Messtechniken - laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) und Infrarot Absorptionsspektroskopie - wurden verwendet, um beide Spezies zu messen. Um λ = 3,39 µm ist der Absorptionsquerschnitt von Cyclohexan um etwa den Faktor 8 größer als von Anisol. Im untersuchten Fall war die Konzentration aufgrund des höheren Dampfdrucks ebenfalls deutlich größer. Daher konnte das Infrarot-Absorptionssignal praktisch ausschließlich Cyclohexan zugeordnet werden. Anisol hat bei Anregung bei λ = 266 nm eine sehr gute Fluoreszenzquantenausbeute, während Cyclohexan keine Fluoreszenz zeigt. LIF ermöglicht daher die Quantifizierung von Anisol (oder anderen Aromaten) ohne Interferenz durch Kohlenwasserstoffe. Es wurde ein Messverfahren entwickelt, welches Halationseffekte vermeidet, die typischerweise in planaren LIF-Experimenten an Tropfenketten auftreten. Kalibrationsmessungen, die im gleichen Strömungskanal durchgeführt wurden, ermöglichten die Quantifizierung der verdunsteten Anisolkonzentrationen. Die räumliche Auflösung betrug 80 µm. Ähnlich wie bei den Einzelkomponentenmessungen wurden Verdunstungsraten bestimmt. Wie aufgrund des niedrigeren Dampfdrucks zu erwarten, ist die Verdunstungsrate von Anisol niedriger als die von Cyclohexan. Die Verdunstungsrate von Cyclohexan in der binären Mischung stimmt gut mit den Einzelkomponentenmessungen überein. Das entwickelte Messverfahren ist sehr vielversprechend für weitere Untersuchungen an Mehrkomponentenmischungen. In dieser Arbeit konnte damit erstmals mit hoher räumlicher Auflösung die Verdunstung von Brennstoffkomponenten mittels Absorptionsspektroskopie in der Nähe von Brennstofftropfen untersucht werden. Zusätzlich wurden in Kombination mit laserinduzierter Fluoreszenzspektroskopie Messungen an binären Mischungen durchgeführt. Damit steht ein wertvoller Datensatz zur Validierung von numerischen Simulationen zur Verfügung.
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    The role of dimensionality and geometry in quench-induced nonequilibrium forces
    (2021) Nejad, Mehrana Raeisian; Khalilian, Hamidreza; Rohwer, Christian M.; Moghaddam, Ali Ghorbanzadeh
    We present an analytical formalism, supported by numerical simulations, for studying forces that act on curved walls following temperature quenches of the surrounding ideal Brownian fluid. We show that, for curved surfaces, the post-quench forces initially evolve rapidly to an extremal value, whereafter they approach their steady state value algebraically in time. In contrast to the previously-studied case of flat boundaries (lines or planes), the algebraic decay for curved geometries depends on the dimension of the system. Specifically, steady-state values of the force are approached in time as t-d/2 in d-dimensional spherical (curved) geometries. For systems consisting of concentric circles or spheres, the exponent does not change for the force on the outer circle or sphere. However, the force exerted on the inner circles or sphere experiences an overshoot and, as a result, does not evolve to the steady state in a simple algebraic manner. The extremal value of the force also depends on the dimension of the system, and originates from curved boundaries and the fact that particles inside a sphere or circle are locally more confined, and diffuse less freely than particles outside the circle or sphere.
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    Tailored nanocomposites for 3D printed micro-optics
    (2020) Weber, Ksenia; Werdehausen, Daniel; König, Peter; Thiele, Simon; Schmid, Michael; Decker, Manuel; Oliveira, Peter William de; Herkommer, Alois; Giessen, Harald
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    Towards an underdamped thermodynamic uncertainty relation
    (2020) Fischer, Lukas P.; Seifert, Udo (Prof. Dr.)
    A recent result of stochastic thermodynamics is the so-called thermodynamic uncertainty relation (TUR). This relation, appearing in the form of an inequality, bounds the precision of fluctuating currents by the entropic costs that are required to drive the non-vanishing mean of the observable. As a consequence, the relation enables the access to parameters that are not accessible in an experimental setting via the precision of a experimentally accessible observable. For instance, it was possible to bound the efficiency of molecular machines by means of their measurable moments of motion. Albeit being generalized and modified to more general terms and dynamics, the putative generalization of the thermodynamic uncertainty relation to underdamped dynamics where the inertia is not negligible remains a puzzling problem. Although there are convincing indications for the overdamped TUR being valid for underdamped dynamics as well in some systems, a straightforward application can also lead to violations of the bound. This thesis summarizes the efforts towards an underdamped generalization of the thermodynamic uncertainty relation and shows challenges and chances that come along by generalization of the TUR. To this end, the intriguing limitations of the TUR in the underdamped domain are explored and discussed. For instance, the TUR is inherently broken for finite times where the evolution is governed by ballistic dynamics due to the inertia being present. Furthermore, it is possible to improve the precision beyond the overdamped bound in presence of velocity dependent forces such as the Lorentz force induced by a magnetic field. Beyond the limitations of the TUR in the underdamped regime, this thesis gives a thorough analysis of the proof that leads to the TUR in the overdamped regime and discusses the obstacles which have to be overcome to find the sought-after proof that is valid for underdamped dynamics. The method is illustrated by deriving thermodynamic bounds that are, however, not as transparent and often not as tight as the original TUR. Finally, a conjecture for a generalized TUR is presented which is based on the precision of free diffusion and holds for all times. The corresponding bound converges to the overdamped TUR in the appropriate limit and tightly bounds the precision, even in the ballistic regime. Being based on free diffusion this conjecture also puts the interpretation of the original TUR in a different perspective.
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    Polarized neutron reflectometry study of complex magnetism and hydrogen incorporation in thin-film structures
    (2022) Guasco, Laura; Keimer, Bernhard (Prof. Dr.)
    In this thesis, we present the study of the structural and magnetic properties of simple metals and complex oxide thin films by means of polarized neutron reflectometry. The nuclear and electronic properties of thin films were modified via two routes, namely via hydrogen incorporation, in the case of niobium systems and complex oxide layers, and via depth modulated hole doping, in the case of manganite heterostructures.
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    Fusionsforschung : eine Einführung
    (2020) Köhn-Seemann, Alf
    In diesem Vortrag wird ein Überblick und eine Einleitung in das Gebiet der Fusionsforschung gegeben.
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    Top‐down approach to study chemical and electronic properties of perovskite solar cells : sputtered depth profiling versus tapered cross‐sectional photoelectron spectroscopies
    (2021) Das, Chittaranjan; Zia, Waqas; Mortan, Claudiu; Hussain, Navid; Saliba, Michael; Ingo Flege, Jan; Kot, Małgorzata
    A study of the chemical and electronic properties of various layers across perovskite solar cell (PSC) stacks is challenging. Depth‐profiling photoemission spectroscopy can be used to study the surface, interface, and bulk properties of different layers in PSCs, which influence the overall performance of these devices. Herein, sputter depth profiling (SDP) and tapered cross‐sectional (TCS) photoelectron spectroscopies (PESs) are used to study highly efficient mixed halide PSCs. It is found that the most used SDP‐PES technique degrades the organic and deforms the inorganic materials during sputtering of the PSCs while the TCS‐PES method is less destructive and can determine the chemical and electronic properties of all layers precisely. The SDP‐PES dissociates the chemical bonding in the spiro‐MeOTAD and perovskite layer and reduces the TiO2, which causes the chemical analysis to be unreliable. The TCS‐PES revealed a band bending only at the spiro‐MeOTAD/perovskite interface of about 0.7 eV. Both the TCS and SDP‐PES show that the perovskite layer is inhomogeneous and has a higher amount of bromine at the perovskite/TiO2 interface.