Multimedia ONline ARchiv CHemnitz
Not a member yet
4978 research outputs found
Sort by
Jahresbericht 2017 / Universitätsbibliothek Chemnitz
Get PDFJahresbericht der Universitätsbibliothek Chemnitz und des Universitätsarchivs- Berichtsjahr 2017Annual report of the University Library of Chemnitz and the University Archive in 201
Nonequilibrium and semiclassical dynamics in topological phases of quantum matter
Get PDFThe discovery of topological phases of quantum matter has brought about a new paradigm in the understanding of rich and exotic phases which fall outside the conventional classification of phases using Landau’s theory of broken symmetries. The thesis addresses various aspects of nonequilibrium and semiclassical dynamics in systems hosting such topological phases. While the study of nonequilibrium closed quantum systems is an exciting field in itself, it has gained a lot of importance in the context topological systems. Much of this has been fuelled by the immense progress in the experimental realisation of such topological systems with ultracold atoms in optical lattices. As measurements of real-time responses are natural in such experiments, they have served as ideal platforms to study the nonequilibrium responses of topological systems.
The studies presented in this thesis can be brought under the umbrella of two broad questions, first, how non-equilibrium dynamics can be used to characterize topological phases or locate topological critical points, and second, what new topological phases can be realized out of equilibrium.
Generally, non-trivial topology of a system manifests itself via quantised responses at the edges of a system or via appropriate non-local string order parameters which are rather difficult to measure in experiments. Local measurements in the bulk are more conducive to experiments. We address this question by showing that within a non-equilibrium setup obtained via a quantum quench, local bulk observables can show sharp signatures of topological quantum criticality via a non-analyticity in parameter space at the critical point. Although via non-local basis transformations, topological phase transitions can often be mapped onto conventional phase transitions, a remarkable aspect of this result is that within the non-equilibrium setup, the local bulk observables can locate the critical point in the natural basis where the phase transition is topological and not described by a local order parameter.
The next question that the thesis explores is how nonequilibrium and semiclassical dynamics, more precisely wavepacket dynamics, can be used to probe topological phases with an emphasis on Chern insulators in two dimensions. Chern insulators are essentially similar to quantum Hall systems except that they show quantised Hall responses in the absence of external magnetic fields due to intrinsically broken time-reversal symmetry. The Hall conductance in these systems is related to an integer-valued topological invariant characterising the energy bands, known as the Chern number, which is the net flux of Berry curvature through the entire two-dimensional Brillouin zone. The Berry curvature modifies the semiclassical equations of motion describing the dynamics of a wavepacket. Hence, the real-time motion of a wavepacket is used to map out the Berry curvature and thence the topology of the band. Complementary to these bulk responses, spatially local quenches in Chern insulators are also shown as probes for the presence or absence of chiral edge modes.
The idea of semiclassical equations of motion can be extended to the case of a three-dimensional Weyl semimetal. Weyl semimetals are a new class of gapless topological systems in three dimensions, elementary fermionic excitations of which are described by the Weyl equation. Since in cold atom experiments, magnetic fields are realized synthetically via phases in complex hoppings, exploring the Hofstadter limit is a natural scenario. When the magnetic field penetrating a two-dimensional system becomes so large that the associated magnetic length becomes comparable to the lattice spacing, the energy spectrum of the system is described by fractal known as the Hofstadter butterfly. We introduce the Weyl butterfly, a set of fractals which describes the spectrum of a Weyl semimetal subjected to a magnetic field, and we characterize the fractal set of Weyl nodes in the spectrum using wavepacket dynamics to reveal their chirality and location. Moreover, we show that the chiral anomaly -- a hallmark of the topological Weyl semimetal -- does not remain proportional to the magnetic field at large fields, but rather inherits a fractal structure of linear regimes as a function of external field.
Finally, the thesis addresses the question of novel nonequilibrium topological phases of matter. In the context of phase structures of nonequilibrium systems, periodically driven, also known as Floquet systems, has received a lot of attention. Moreover, the role of disorder has been shown to be rather crucial as generically such Floquet systems heat up to featureless infinite temperature states. Also, in the context of topological systems like Chern insulators, disorder is expected to play an interesting role given that it is important in localising the bulk cyclotron orbits in an integer quantum Hall system. With this motivation, the phase diagram of the disordered Chern insulator with a Floquet drive is explored in the thesis. In the model considered there are indeed topological Floquet edge modes which are exclusive to Floquet systems, for instance, the edge modes in gaps of the quasienergy spectrum around ±pi. There are also disorder-induced topological transitions between different Floquet topological phases, due to a mechanism shown to be of levitation-annihilation type
Assistierte Bewegungskontrolle in der Rehabilitation durch intelligente Sensortechnologie
Get PDFIm Beruf, in der Freizeit und in der Rehabilitation werden immer öfter digitale Medien eingesetzt. Speziell in der motorischen Rehabilitation wird zunehmend eine Digitalisierung der Therapieprozesse festgestellt. Dieser Trend soll den Therapieprozess dokumentieren, die Patienten motivieren und auch eine Unterstützung für die Therapeuten sein. Gegenwärtig werden in der Praxis verschiedene „Feedback-Informationen“ verwendet, beispielsweise Informationen zum Bewegungsweg und zur Bewegungsgeschwindigkeit. In der Regel kommen diese Informationen primär vom Trainingsgerät, da dort die entsprechenden Sensoren angebracht sind. Die Information zur Bewegungsqualität des Patienten selbst, wird von den Sensoren nicht erfasst.
Im Rahmen des Projektes „AssiSt“ (Assistierte Bewegungskontrolle in der Rehabilitation durch intelligente Sensortechnologie) wurde ein anderer Ansatz verfolgt. Hier war es das Ziel, ein Assistenzsystem zu entwickeln, welches einem Patienten während seiner Übungsausführung Feedback geben kann. Es galt dabei zu prüfen, inwiefern mit einem optischen Sensor die Bewegung des Übenden direkt erfasst und in Echtzeit auf fehlerhafte Bewegungsausführungen/oder die/eine fehlerhafte Bewegungsausführung analysiert werden kann. Eine falsche Bewegungsausführung kann dazu führen, dass die Zielmuskulatur nicht richtig angesteuert wird. Darüber hinaus können aktive und passive Strukturen in der frühen postoperativen Phase überlastet werden.
Hierfür wurde mithilfe von Methoden des maschinellen Lernens die Bewegung des Übenden auf Fehlerbilder hin analysiert. Bei fehlerhafter Ausführung werden dabei über eine Feedbackeinheit sofort Korrekturhinweise übermittelt, sodass auftretende Fehler zeitnah korrigiert werden können. Im Verlauf klinischer Tests wurde das Feedback des Assistenzsystems mit der Analyse eines Therapeuten verglichen, wobei eine gute Übereinstimmung erzielt wurde. Neben der Bewegungsanalyse wird durch das System zusätzlich eine Verlaufsdokumentation erstellt, sodass Patienten und Therapeuten nachträglich den Therapieverlauf auswerten können. Darüber hinaus wurde untersucht, ob Biosignale, wie bspw. die Erwärmung der Hautoberfläche infolge der Muskelarbeit während des Trainings, als Feedback geeignet sind. Dies könnte das Effektwissen des Patienten durch ein besseres Verständnis zwischen der Therapieübung und der Muskelansteuerung verbessern
Fahrzeugnahe Methoden zur Diagnose von Degradationsvorgängen an automobilen PEM-Brennstoffzellenaggregaten
Get PDFIn dieser Arbeit werden drei voneinander unabhängige Verfahren zur Diagnose von Alterungsvorgängen an automobilen Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen-Stapeln und -Aggregaten entwickelt. Gemeinsam ermöglichen diese Methoden ein tieferes Verständnis für die elektrochemischen Schadensmechanismen und stellen Mittel zu deren Reduktion zur Verfügung. Die erste Methode behebt die an Stapeln auftretenden Probleme konventioneller Zyklovoltammetrie mittels gezielter Modifikation der Spannungstransienten. Dieses Vorgehen ermöglicht die exakte und sehr zuverlässig reproduzierbare Bestimmung von Wasserstoff- Crossoverstrom, Doppelschichtkapazität und aktiver Katalysator-Oberfläche im Stapel und stellt damit eine neue Art der Alterungsdiagnose an Stapeln dar. Der Zweck der zweiten Methode ist es, die systematische Entwicklung einer schonenden Betriebsstrategie für Luft-/Luft-Starts auf Aggregate-Ebene zu ermöglichen. Hierfür wird eine Reihe von Referenzelektroden in ein Fahrzeug-Aggregat eingebracht, um die im Stapel während des Starts ablaufenden elektrochemischen Vorgänge örtlich und zeitlich aufgelöst beobachten zu können. Auf diese Weise werden zwei Startprozeduren analysiert und bzgl. ihrer Eignung verglichen. Beim dritten Verfahren handelt es sich um eine Parameterschätzung, die die modellbasierte Diagnose und Regelung von schwer zu messenden Zustandsgrößen zum Ziel hat. Der echtzeitfähige Algorithmus schätzt die aktive Katalysator-Oberfläche, die Gaszusam- mensetzungen auf Anode und Kathode sowie den rezirkulierten Volumenstrom mittels verschiedener Modelle für Stapel und Systemkomponenten.:(1) Einleitung
(2) Aufbau und elektrochemische Limitierungen von PEM-Brennstoffzellen
(3) Aufbau von automobilen PEM-Brennstoffzellenaggregaten
(4) Eine Übersicht bekannter Diagnosemethoden für PEM-Brennstoffzellen
(5) In-situ-Charakterisierung von PEM-Brennstoffzellenstapeln
(6) Bewertungsmethode für Startprozeduren von PEM-Brennstoffzellenaggregaten
(7) Online-Diagnose mittels gekoppelter Echtzeit-Parameterschätzung
(8) Zusammenfassung und AusblickThis thesis presents three newly developed methods for the diagnosis of deterioration in automotive polymer electrolyte membrane fuel cell stacks and systems. The combination of these methods allows for a more comprehensive understanding of electrochemical degradation processes and provides means for their mitigation.
The first technique aims at the elimination of problems associated with the application of conventional cyclic voltammetry on fuel cell stacks. This is achieved by specific modification of the voltage transients. The procedure enables the precise and highly reproducible measurement of the hydrogen crossover current, double layer capacity and
the electrochemically active surface area within the stack and thus represents a completely new kind of stack diagnosis method. The intention of the second method is to facilitate the purposeful development of damage mitigating air-/air-startup operating strategies on system level. To that intent, a number of dynamic hydrogen reference electrodes are positioned within the stack of a vehicle system, which allows for locally and temporally resolved observation of the electrochemical
processes. Using this method, two startup procedures are analysed and compared with regard to their suitability. The third technique is an online parameter estimation aiming at the model based diagnosis and control of quantities, which can only be measured with difficulty. The algorithm estimates the electrochemically active surface area, the gas compositions on anode and cathode and the recirculated volumetric flow using various models for stack and system components. With these three methods, all relevant parameters for the intrinsical quantification of the degradation of each single cell within the stack can be precisely quantified. The methods thus enable a direct observation of the deterioration of the fuel cell and contribute to a further increase in durability as well as faster and more efficient development processes.:(1) Einleitung
(2) Aufbau und elektrochemische Limitierungen von PEM-Brennstoffzellen
(3) Aufbau von automobilen PEM-Brennstoffzellenaggregaten
(4) Eine Übersicht bekannter Diagnosemethoden für PEM-Brennstoffzellen
(5) In-situ-Charakterisierung von PEM-Brennstoffzellenstapeln
(6) Bewertungsmethode für Startprozeduren von PEM-Brennstoffzellenaggregaten
(7) Online-Diagnose mittels gekoppelter Echtzeit-Parameterschätzung
(8) Zusammenfassung und Ausblic
Development of novel YMnO3-based memristive structures
Get PDFMemristor, defined as a two-terminal device which exhibits a pinched hysteresis loop in the current-voltage characteristics, is a main component of the resistive random access memory. Both memristor and memristive phenomena, known also as resistive switching (RS), have been thoroughly investigated in the past nearly two decades. This dissertation investigates YMnO3 thin films and explores a new concept concerning utilization of multiferroic properties for activation and/or enhancement of RS. It is hypothesized that the charged domain walls and/or vortex cores in YMnO3 thin films can act as an effective nanoscale features which support formation of the conductive filaments and, in consequence, enable development of an electroforming-free memristive structure. Results of the electrical characterization of YMnO3-based metal-insulator-metal structures indicate that hexagonal YMnO3 films deposited on metal-coated oxide substrate exhibit electroforming-free unipolar resistive switching (URS) while orthorhombic YMnO3 films grown on the doped oxide substrate show bipolar resistive switching (BRS). Observed URS is assigned to the formation and rupture of conductive, metallic-like filaments induced by the thermo-chemical phenomena. Results of polarity-dependent studies reveal that formation of conductive filaments proceeds in the electrostatic discharge event which is followed by their irreversible rupture during the reset process. Main properties of the observed URS include very good retention of programmed states, large memory window (between 10E+2 and 10E+4), high voltage and current required for set and reset, respectively, and low endurance. BRS is attributed to the complementary electronic and ionic processes within the p-n junction formed at the interface between p-YMnO3 and n-type oxide substrate. Results of ferroelectric characterization reveal that resistively switching YMnO3 films do not exhibit ferroelectric properties. Therefore, observed RS in YMnO3-based structures can not be directly related to the presence of charged domain walls and/or multiferroic vortex cores. Prospective functionality extension of YMnO3-based memristive devices is developed and presented on the example of photodetecting properties of metal-YMnO3-insulator-semiconductor stacks. Studies conducted within the framework of this doctoral dissertation investigate the resistive switching behaviour of YMnO3-based junctions. Obtained results contribute to the better understanding of the resistive switching and failure mechanisms in ternary oxides, and provide hints toward device engineering.Der Memristor ist definiert als eine Zweipol-Vorrichtung, die eine hysteretische Strom-Spannungs-Charakteristik aufweist. Memristoren sind nichtflüchtige Widerstandsspeicher, deren elektrischer Widerstand mittels elektrischer Spannungspulse verändert werden kann. Sowohl Memristoren als auch memristive Widerstandsschalter (RS) werden seit mehr als zwei Jahrzehnten intensiv untersucht. Diese Dissertation untersucht YMnO3-Dünnschichten mit zirkularen Vorderseiten-Elektroden und unstrukturierten Rückseiten-Elektroden und erforscht ein neues Konzept über die Nutzung der multiferroischen Eigenschaften für die Aktivierung und/oder Verbesserung des memristiven Verhaltens. Es wird angenommen, dass die geladenen Domänenwände und/oder Vortices in YMnO3-Dünnschichten die Bildung leitfähiger Filamente wirksam unterstützt und folglich die Entwicklung eines neuartigen, formierungs-freiem Widerstandsspeichersermöglicht. Die Ergebnisse der elektrischen Charakterisierung von YMnO3-basierten Widerstandsschalter zeigen unipolares RS (URS), wenn eine metallische Rückseitenelektrode verwendet wird und bipolares RS (BRS), wenn als Rückseitenelektrode ein metallisch leitendes
Oxid-Substrat verwendet werden. Das URS wird als thermochemisches RS klassifiziert und mit der Bildung und Auflösung metallisch leitender Filamente korreliert. Das BRS wird auf das Einfangen/Freigeben von Defekten in der Raumladungszone des YMnO3 im pn-Übergang von p-YMnO3/n-Nb:SrTiO3-Strukturen zurückgeführt. Die wichtigsten Eigenschaften des formierungsfreien URS sind die sehr gute Retention der programmiertenWiderstandszustände,
große Speicherfenster (zwischen 10E+2 und 10E+4), die hohe Schreibspannung
für den Set-Prozess und der hohe Schreibstrom für den Reset-Prozess. Die Endurance ist aufgrund der Degradation des Vorderseiten-Elektrode gering. Die Ergebnisse des polaritätsabhängigen Widerstandsschaltens zeigen, dass der Set-Prozess mit elektrostatischer Entladung einhergeht. Die ferroelektrische Charakterisierung zeigt, dass die YMnO3–Dünnfilme keine ferroelektrischen Eigenschaften aufweisen. Daher kann das beobachtete URS nicht direkt auf die Anwesenheit von geladenen Domänenwände und Vortices zurückgeführt werden.
Darüberhinaus wurden die photodetektierenden Eigenschaften von Metall-YMnO3-Isulator-Halbleiter-Stacks als potenzielle Erweiterung der Funktionalität von YMnO3-basierten memristiven Bauelementen vorgestellt und vorgeschlagen.
Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurde das Widerstandsschalten von multiferroischen, YMnO3-basierten Widerstandsschaltern untersucht. Die erhaltenen Ergebnisse tragen zu einem besseren Verständnis des Widerstandsschaltens von multiferroischen Materialien bei
Rolled-up magnetic nanomembranes
Get PDFThe combination of strain engineering, lithography, thin film deposition and etching techniques is an elegant approach to create single microtubes and well-defined arrays of magnetic microtubes. In this work we have successfully shown that strain engineering techniques developed for rolled-up nanomembranes can be applied to magnetic materials and material combinations. To obtain sufficiently strained nanomembranes, different substrates and sacrificial layers in combination with the magnetic layers were used. Careful tuning of the etching parameters ensured a controlled roll-up process without damage or oxidation of the magnetic layer. Additionally, rolled-up nanomembranes were further integrated in a highly parallel fashion on chip, by development and application of multi-step fabrication procedures. Based on the prepared rolled-up magnetic structures and their planar counterparts we have performed a comprehensive study of their magnetic properties, mainly under the influence of magnetic field, strain and temperature. The role of the special cylindrical or curved geometry and their impact on the magnetic properties was outlined and explained based on our understanding. Moreover, the magnetic properties were also discussed in relationship to other influencing material parameters, e.g. composition, crystallographic structure, and surface effects.
The first experimental magnetization study on rolled-up InGaAs/Fe3Si heterostructures was presented. It was demonstrated for tube arrays that the change in the geometry from a planar film to the cylindrical shape has a significant effect on the magnetization behavior.
A deeper study provided insight into the magnetic switching behavior of single tubes and arrays. Rolled-up Au/Co/Au tubes and showed that in addition to shape anisotropy, magnetostrictive anisotropy due to the anisotropic stress release can inverse the magnetization direction. Exchange coupling at ferromagnetic/antiferromagnetic interfaces due to partial oxidation of Co was observed at low temperatures. The results suggest possibilities to tune magnetic properties by controlling the tube dimensions and careful control of thin film growth parameters.
The cylindrical shape, the layer thickness the number of rotations and the type of magnetic material are proven to have a strong influence on the magnetic domain patterns and magnetization behavior. Therefore, Ni/Fe tubes have been studied by means of magneto optical Kerr effect. It was found that the magnetization reversal in rolled-up tubes with 1.2 and 2.5 windings occurs via nucleation and propagation of magnetic domain walls.
On the other hand, we have demonstrated for rolled-up Au/Co tubes that a certain magnetic layer thickness is required to observe magnetic stripe domains.
In another experiment performed with magnetic force microscopy, rolled-up Co/Pt nanomembranes with magnetic domains radially aligned due to perpendicular anisotropy, which behaves as radially polarized cylindrical magnets, were achieved.
Moreover, we have demonstrated an elegant approach to create compact MR devices based on rolled-up Co/Cu-ML nanomembranes. We have shown the magnetization behavior and the MR magnitude in comparison to the corresponding planar structures. The influence of number of Co/Cu bilayers, non-magnetic spacer layer, interface roughness and multiple windings on MR was discussed. Our fabrication method can be applied to the most common magnetic materials. Certainly, further optimization of MR towards application as magnetic sensor or magneto-fluidic sensors can be achieved by change of Co/Cu-layer thickness, increase of rolling length and reduced spacer layer thickness.
Finally, we have shown a fabrication route to realize freestanding tubes based on Ni-Mn-Ga alloys grown by molecular beam epitaxy on GaAs substrates. The evolution of structural and magnetic properties induced by roll-up was investigated in detail and showed a pronounced influence of crystallographic orientation and strain state of the Ni-Mn-Ga alloys. These insights are fundamental in order to realize thin nanomembranes and freestanding three-dimensional FSMA structures with defined composition for smart applications as compact actuators and microsensors.
Consequently, rolled-up magnetic nanomembranes offer a great chance in reducing the size of electronic components and can bring several functionalities to the device. These facts make rolled-up tubes highly attractive for the detection, stimulation and manipulation of small objects, such as ions, molecules, cells and particles. It is expected in the future, that magnetic lab-in-a-tube systems will further account in analysis of microfluidic systems. On the other hand, rolled-up structures significantly contribute to the field of shapeable magnetoelectronics
Forschung - Entwicklung - Simulation: Ein branchenübergreifender Einblick in die Themenfelder der Professur MHT
Get PDFDer Beitrag gibt branchenübergreifend anhand unterschiedlicher Beispiele einen Einblick in die Themenfelder und jüngsten Forschungs- und Entwicklungsprojekte der Professur Montage- und Handhabungstechnik der TU Chemnitz. Ausgehend von eigenen und kommerziellen Softwaretools, wie MOCAD, GeoGebra und SimulationX, wird deren Einsatz, aufgabenspezifische Nutzung sowie Weiterentwicklung für nichtlineare Antriebssysteme beschrieben. Exemplarisch ausgeführt sind hierbei Forschungsergebnisse von Flecht- und Wirkmaschinen zur Herstellung neuartiger Produkte. Neben innovativen kinematischen Lösungsansätzen für diese Textilmaschinen spielen branchenübergreifend auch Zuführerfordernisse, wie z. B. durch eine, in dieser Art erstmals realisierte, hochfrequente Bolzenzuführung beschrieben, eine wesentliche Rolle
Application of the Submodeling Technique for Analyzing Air Springs in Abaqus
No full textEs wird ein auf der Submodelltechnik basierender Ansatz vorgestellt, mit dem Cord-Elastomer-Verbunde, speziell die Balgwände von Luftfedern, einer detaillierten FE-Analyse zugänglich gemacht werden können.
Dieser Ansatz beinhaltet ein Globalmodell, das die gesamte Luftfeder abbildet, und
zwei Submodelle, die sich auf bestimmte Ausschnitte der Balgwand konzentrieren
Semiconductor quantum dots entangled photon sources: from wavelength tunability to high brightness
No full textIn this thesis, we focus on the generation of entangled photon pair from III-V quantum dots. The achievements mainly consists of two aspects: one is the wavelength tunability of these entangled photon pairs, which is enabled by on-chip strain engineering; the other is the brightness enhancement with an optical-broadband antenna to boost the extraction of entangled photons from the material matrix where quantum dots are embedded in
Bedeutung der Kunststofftribologie in der Fördertechnik
Get PDFIn der Fördertechnik werden zunehmend Transportketten und Gleitelemente aus thermoplastischen Kunststoffen eingesetzt. Wesentliche Vorteile sind der schmierungsfreie und damit saubere und wartungsarme Betrieb, die geringe Eigenmasse sowie die mit hoher Gestaltungsfreiheit und Effizienz verbundene Fertigungstechnologie im Spritzgießverfahren. Die Bauelemente der Fördersysteme werden in der Praxis sehr unterschiedlich beansprucht. Da jedoch die mechanischen und tribologischen Eigenschaften der Kunststoffe signifikant von den Belastungs- und Umgebungsbedingungen, insbesondere der Temperatur, abhängig sind, ist die Entwicklung und Charakterisierung geeigneter Werkstoffsysteme sehr komplex. Im Vortrag werden diese Herausforderungen thematisiert und Möglichkeiten zur praxisnahen Untersuchung und Bereitstellung von Kennwerten vorgestellt.In conveyor systems, transport chains and sliding elements made of thermoplastic materials are increasingly used. Major advantages are lubrication-free and so clean and low-maintenance operation, low weight as well as design-flexible and efficient injection molding manufacturing. In practice, components of conveyor systems are stressed in very different ways. However, mechanical and tribological properties of plastics are significantly dependent on load and environmental conditions, in particular temperature. Therefore, the development and characterization of suitable material systems are very complex. In the talk, these challenges are addressed and opportunities for practical investigation and provision of characteristic properties are presented