Magnetismus ist ein Phänomen, das eine wichtige Rolle in einer Vielfalt technischer Anwendungen spielt. Ohne den Einsatz magnetischer Effekte und Materialen wäre der heutzutage erreichte technische Fortschritt unmöglich, da viele grundlegende Techniken wie Stromerzeugung, elektrischer Antrieb, Informationsübertragung und viele andere auf magnetische bzw. elektromagnetische Phänomene zurückzuführen sind. Dabei haben die ferromagnetischen Materialen stets zur Effizienz von elektrischen und elektronischen Anwendungen beigetragen, weswegen an diesen Materialen auch entsprechend viel geforscht worden ist. Moderne Technologien, insb. Massenspeicher basieren oft auf Ferromagneten und erfordern daher die weitere Erforschung und Anpassung ihrer Eigenschaften. Für die Funktionalität von Hochgeschwindigkeitsgeräten spielt das dynamische Verhalten dünner magnetischer Schichten eine kritische Rolle. In dieser Arbeit wird die Magnetisierungsdynamik dünner Schichtelemente mittels zeitaufgelöster Weitfeld- Kerrmikroskopie untersucht. Dies ist ein aktuelles Thema, an dem in den letzten Jahren sehr intensiv gearbeitet wird. Allerdings sind viele für die Anwendungen sehr wichtige Details des magnetischen Schaltens wegen ihre Vielfältigkeit und Komplexität doch nicht vollständig untersucht und verstanden. In dieser Arbeit werden überwiegend experimentelle Ergebnisse vorgestellt, die einen zusätzlichen Beitrag zum aktuellen Wissenstand leisten. In einem ferromagnetischen Körper bilden sich Bereiche mit spontaner Magnetisierung, die man als Domänen bezeichnet. Die spontane Magnetisierung entsteht aufgrund der Spin-Spin Wechselwirkung, und die Domänen bilden sich aufgrund der Energieminimierung des magnetisierten Körpers. Langsame Magnetisierungsprozesse werden im Wesentlichen getragen von Domänenumordnungen und Domänengrenzenverschiebungen. Solche Prozesse bezeichnet man als quasistatisch, da sich der Körper durch deren Langsamkeit immer im Gleichgewicht oder zumindest sehr nahe daran befindet. Mit zunehmender Anregungsgeschwindigkeit gilt diese Annahme nicht mehr, da die Präzessionsbewegung der magnetischen Momente das Schaltverhalten in diesem Fall definiert. Die Untersuchung der Magnetisierungsdynamik setzt die Möglichkeit voraus, nicht-unterbrochene Prozesse beobachten zu können. Dieses Ziel kann mittels stroboskopischer Abbildung erreicht werden. Dabei wird derselbe Prozess kontinuierlich wiederholt (vorausgesetzt, dass die Prozesse sich reproduzierbar wiederholen lassen), und zu definierten Zeitpunkten werden die entsprechenden Kerraufnahmen gemacht. Dafür wird eine CCD Kamera mit einem Photoverstärker benutzt, welcher als optischer Schalter fungiert. Die Zeitauflösung dieses Systems und damit auch das Vermögen, die Hochfrequenzvorgänge abzubilden, beträgt 250 ps. Die Eigenschaften des magnetischen Umschaltens hängen stark von der Elementgeometrie ab. Diese Unterschiede sind auf unterschiedliche Entmagnetisierungsfaktoren, und damit auf Unterschiede in den effektiven Feldern zurückzuführen. Solche Unterschiede werden auf zwei Weisen initiiert: ein quadratisches Element wird entlang unterschiedlicher Richtungen (entlang der Seite und der Diagonalen) angeregt; die Form des Elementes wird zwischen Quadrat und Rechteck mit unterschiedlichen Seitenverhältnissen variiert. Die beobachteten Schaltvorgänge werden miteinander verglichen und die Ergebnisse dargestellt. Dabei werden auch die dynamischen Vorgänge immer mit den quasistatischen verglichen. Aus dem Vergleich folgt, dass ein steigendes Seitenverhältnis zur geringeren Schaltgeschwindigkeit führt, und dass die dabei entstehenden Domänen zunehmend komplexer werden. Dabei gibt es wesentliche Unterschiede zwischen den dynamischen und quasistatischen Domänen, vor allem in der Domänenwandstruktur. Das Schalten an sich unterscheidet sich auch sehr stark. Quasistatisches Schalten erfolgt überwiegend durch Domänenwandbewegung, während das dynamische Schalten durch inkohärente Rotation der Magnetisierung im ganzen Element erfolgt. Das Hochfrequenzverhalten am Prototypen eines Mikroinduktors wird untersucht. Der Induktor besteht aus vielen magnetischen Elementen, die eine induzierte uniaxiale Anisotropie besitzen. Diese ist bei der Hälfte der Elemente entlang des Magnetfeldes, und bei der anderen Hälfte senkrecht zum Magnetfeld der Spule ausgerichtet. Das dynamische Verhalten der beiden Elementtypen unterscheidet sich stark, vor allem die Ummagnetisierungsgeschwindigkeit. Diese Unterschiede können zu einer Phasenverschiebung im elektrischen Signal führen, was die Effizienz des Induktors senkt. Durch die Untersuchung der Magnetisierungsdynamik in Wechselfeldern unterschiedlicher Frequenz ist auch festgestellt worden, dass bis 100 MHz die Magnetisierungsvorgänge überwiegend durch Domänenwandbewegung erfolgen, während ab 200 MHz- Rotationsprozesse stattfinden.

The magnetization processes of antiferromagnetically (AF) coupled Co/Pt multilayers on extended substrates and of Co/Pd multilayers deposited on arrays of 58 nm spheres are investigated via magnetic force microscopy at room temperature by imaging the domain configuration in magnetic fields. Adding AF exchange to such perpendicular anisotropy systems changes the typical energy balance that controls magnetic band domain formation, thus resulting in two competing reversal modes for the system. In the ferromagnetic (FM) dominated regime the magnetization forms FM band domains, vertically correlated. By applying a magnetic field, a transition from band to bubble domains is observed. In the AF-exchange dominated regime, by applying a field or varying the temperature it is possible to alter the magnetic correlation from horizontal (AF state) to vertical (FM state) via the formation of specific multidomain states, called metamagnetic domains. A theoretical model, developed for complex multilayers is applied to the experimentally studied multilayer architecture, showing a good agreement. Magnetic nanoparticles have attracted considerable interest in recent years due to possible applications in high density data storage technology. Requirements are a well defined and localized magnetic switching behavior and a large thermal stability in zero fields. The thermal stability of [Co/Pt]N multilayers with different numbers of repeats (N), deposited on nanospheres is studied by magnetic viscosity measurements. The magnetic activation volume, representing the effect of thermal activation on the switching process, is estimated. It is found that the activation volume is much smaller than the volume of the nanosphere and almost independent of the number of bilayers supporting an inhomogeneous magnetization reversal process.

The vicinity of continuous quantum phase transitions displays unique properties such as scaling behavior and incoherent excitation spectra which are not found in any stable phase of matter. This fascinating quantum critical regime is crucial for progress on key problems of modern condensed matter physics. The three research projects of this thesis challenge and refine our understanding of quantum criticality in different ways. Part I concerns unexpected quantum critical behavior near the Mott transition. The bandwidth-controlled Mott transition in the half-filled one-band Hubbard model is one of the most paradigmatic phenomena of strongly correlated physics. Within the approximation of dynamical mean-field theory (DMFT) this metal-insulator transition is of first order at low temperatures, with the transition line ending at a critical temperature. Surprisingly, numerical calculations with DMFT and experiments in organic salts consistently found quantum critical scaling of the resistivity above the critical temperature. The aim of this project is to explain this unexpected scaling in the absence of a quantum critical point in the phase diagram. To this end, we perform extensive DMFT simulations with the numerical renormalization group as a state-of-the-art impurity solver. We find that the quantum critical scaling can be traced back to the metastable insulator at the boundary of the coexistence region at T = 0 which exhibits previously unknown scale-invariance on the frequency axis. In Part II we study how magnetic quantum criticality is affected by the coupling to additional non-critical degrees of freedom. Considering typical electronic energy scales the study of quantum critical phenomena in magnets requires very low temperatures in the sub-100mK range. In this regime additional effects which are typically neglected in the theoretical modeling may become important. Here we focus on one particular example, which is the hyperfine coupling to nuclear spins. We investigate the fate of the quantum critical behavior at lowest temperatures and determine crossover scales below which a purely electronic description is no longer sufficient. Explicit calculations for paradigmatic models on the level of mean-field theory plus Gaussian fluctuations reveal that the quantum phase transition can be shifted or smeared in the presence of nuclear spins. More exotic effects of nuclear spins, e.g. in spin liquids, are discussed on a qualitative level. Part III is devoted to the discussion of domain-driven phase transitions in easy-axis ferromagnets.This work is motivated by an experimental study of LiHoF4, a dipolar easy-axis ferromagnet that displays a well-studied quantum phase transition from a ferromagnetic to a paramagnetic phase as function of a transverse field. Measurements of the ac susceptibility found a well-defined phase transition even in tilted fields where the Ising symmetry is explicitly broken and Landau theory of the microscopic order parameter predicts a crossover. We are able to explain and model the transition in tilted fields by the inclusion of domain effects, i.e., by taking into account the spontaneous breaking of translational symmetry by mesoscale pattern formation in the ferromagnetic phase. The modeling of stray-field energies as effective antiferromagnetic couplings between magnetization components in different domains is in excellent quantitative agreement with the experimental results.:1 Phases and their transitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.1 Thermal and quantum phase transitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.2 Theoretical description of phase transitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.3 Project overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 I Mott quantum criticality in the one-band Hubbard model . . . . . . . . . . .15 2 Introduction to the Mott transition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.1 Metal-insulator transitions and the Hubbard model . . . . . . . . . . . . . . 16 2.2 A local perspective: the idea of dynamical mean-field theory . . . . . . . . . 19 2.3 Quantum critical scaling near the Mott transition . . . . . . . . . . . . . . . 21 3 Dynamical mean-field theory (DMFT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.1 Single-impurity Anderson model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.2 Theoretical foundations of DMFT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.3 Wilson's numerical renormalization group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3.4 Implementation and choice of parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 4 Power-law spectra and quantum critical scaling . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 4.1 Scale-invariant solutions of DMFT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 4.2 Spectral power laws at T=0 in the metastable insulator . . . . . . . . . . . 40 4.3 Finite-temperature crossovers in the spectral function . . . . . . . . . . . . 47 4.4 Resistivity scaling driven by spectral power laws . . . . . . . . . . . . . . . 50 4.5 Scaling analysis of the dynamic susceptibility . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 4.6 Ideas and obstacles towards an analytical understanding . . . . . . . . . . . 62 4.7 Conclusions and outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 II Limits on magnetic quantum criticality from nuclear spins . . . . . . . . . . . . .65 5 Stability of magnetic transitions to hyperfine coupling . . . . . . . . . . . . . . . .66 5.1 Nuclear spins near quantum criticality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 5.2 Introduction to nuclear spins and hyperfine coupling . . . . . . . . . . . . . 67 5.3 Magnetic phases in the presence of nuclear spins . . . . . . . . . . . . . . . 69 5.4 Two scenarios for magnetic quantum criticality plus nuclear spins . . . . . . 70 6 Paradigmatic models for magnetic quantum phase transitions . . . . . . . . . 73 6.1 Transverse-field Ising model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 6.2 Coupled-dimer model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 6.3 Frustrated spin models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 7 Crossover scales introduced by nuclear spins . . . . . . . . . . . . . . . . . . .83 7.1 Shifted transitions: transverse-field Ising magnets . . . . . . . . . . . . . . . 83 7.2 Smeared transitions: coupled-dimer magnets . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 7.3 Additional transitions due to nuclear spins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 7.4 Exotic magnetic quantum phase transitions plus nuclear spins . . . . . . . . 101 7.5 Conclusions and outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 III Domain-driven phase transitions in easy-axis ferromagnets . . . . . . . . 105 8 Easy-axis ferromagnet LiHoF4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 8.1 Easy-axis ferromagnets in tilted fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 8.2 LiHoF4 and its phase transitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 9 Modeling of microscopic degrees of freedom in LiHoF4 . . . . . . . . . . . . 112 9.1 Landau theory in tilted fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 9.2 Crystal field effects and microscopic Hamiltonian . . . . . . . . . . . . . . . 113 9.3 Crossovers in the microscopic model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 10 Modeling of mesoscopic degrees of freedom in LiHoF4 . . . . . . . . . . . . . . .123 10.1 Domains in ferromagnets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 10.2 Modeling of domain effects as effective interactions . . . . . . . . . . . . . . 127 10.3 Combined mean-field Hamiltonian and domain optimization . . . . . . . . . 130 10.4 Nature of the phase transition in tilted fields . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 10.5 Domain-driven phase transition at T = 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 10.6 Domain-driven phase transition at finite temperatures . . . . . . . . . . . . 141 10.7 Comparison with experimental results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 10.8 Conclusions and outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 IV Summary & Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 V Appendices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 A Part I: NRG level spectra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 B Part I: Analytical properties of scale-invariant DMFT solutions . . . . . . . . . . .159 B.1 Kondo perturbation theory as an impurity solver . . . . . . . . . . . . . . . 159 B.2 Analytical properties of a power-law self-energy . . . . . . . . . . . . . . . . 166 C Part I: Scaling analysis of the resistivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 D Part II: Solution of the transverse-field Ising model with nuclear spins . . . . . . 172 D.1 Holstein-Primakoff representation of the electronic and nuclear spins . . . . 172 D.2 Determination of the classical reference state . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 D.3 Excitation spectrum of the coupled nuclear-electronic model . . . . . . . . . 175 D.4 Magnetization, susceptibility, and heat capacity . . . . . . . . . . . . . . . . 177 E Part II: Solution of the coupled-dimer model with nuclear spins . . . . . . . . . . . 181 E.1 Bond-operator description of the electronic spins . . . . . . . . . . . . . . . 181 E.2 Determination to the electronic ground state . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 E.3 Holstein-Primakoff representation of the nuclear spins . . . . . . . . . . . . 188 E.4 Excitation spectrum of the coupled nuclear-electronic model . . . . . . . . . 189 E.5 Staggered magnetization and susceptibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 F Part III: Calculation of domain-induced effective interactions . . . . . . . . . . . . . 198 Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203

Concrete domains have been introduced in the area of Description Logic to enable reference to concrete objects (such as numbers) and predefined predicates on these objects (such as numerical comparisons) when defining concepts. Unfortunately, in the presence of general concept inclusions (GCIs), which are supported by all modern DL systems, adding concrete domains may easily lead to undecidability. To regain decidability of the DL ALC in the presence of GCIs, quite strong restrictions, in sum called ω-admissibility, were imposed on the concrete domain. On the one hand, we generalize the notion of ω-admissibility from concrete domains with only binary predicates to concrete domains with predicates of arbitrary arity. On the other hand, we relate ω-admissibility to well-known notions from model theory. In particular, we show that finitely bounded homogeneous structures yield ω-admissible concrete domains. This allows us to show ω-admissibility of concrete domains using existing results from model theory. When integrating concrete domains into lightweight DLs of the E L family, achieving decidability is not enough. One wants reasoning in the resulting DL to be tractable. This can be achieved by using so-called p-admissible concrete domains and restricting the interaction between the DL and the concrete domain. We investigate padmissibility from an algebraic point of view. Again, this yields strong algebraic tools for demonstrating p-admissibility. In particular, we obtain an expressive numerical p-admissible concrete domain based on the rational numbers. Althoughω-admissibility and p-admissibility are orthogonal conditions that are almost exclusive, our algebraic characterizations of these two properties allow us to locate an infinite class of p-admissible concrete domains whose integration into ALC yields decidable DLs.

The Rayleigh law describes the linear dependence of the permittivity of a ferroelectric on the applied ac electric field amplitude due to irreversible motions of domain walls. We show that this gives rise to a new equivalent-circuit element predestined to fit the impedance spectra of ferroelectrics based on an accepted physical model. Such impedance spectroscopy is a powerful tool to obtain a dielectric and resistive representation of the entire sample structure. The superiority of the Rayleigh analysis based on impedance spectroscopy compared to the common single-frequency approach is demonstrated for a ferroelectric Si : HfO₂ thin film

SH3-Domänen sind Proteinmodule, die über die Erkennung prolinreicher Peptidsequenzen Protein-Protein-Interaktionen in einer Vielzahl von zellulären Prozessen vermitteln. In der vorliegenden Arbeit wurde die Erkennung von Peptidliganden durch ausgewählte SH3–Domänen hinsichtlich Selektivität versus Promiskuität untersucht. Diese Arbeiten dienten als Vorversuche für einen kompletten proteomischen Ansatz aller SH3-Domänen aus S. cerevisiae. Für die vier ausgewählten SH3-Domänen, nämlich Myo5, Abp1, Yhr016 und Rvs167, wurden die Ligandenpräferenzen durch Interaktionsanalysen mit einem vollständigen Satz prolinreichen Peptidliganden, abgeleitet aus dem Hefeproteom ermittelt. Hierzu wurde ein Peptid–Array Ansatz gewählt. Mit der SPOT-Technologie wurden 2953 15mere Peptide als Array auf einem Celluloseträger Schritt für Schritt synthetisiert. Hierfür wurde zuerst die Art des Celluloseträgers festgelegt und anschließend überprüft, ob sich ein Array mehrmals in Interaktionsexperimenten verwenden lässt. Es zeigte sich, dass eine Regeneration der Arrays nicht möglich war, so dass für jedes Interaktionsexperiment ein neues Peptidarray synthetisiert werden musste. Die Interaktionsstudien bestätigten die Bindung prolinreicher Sequenzmotive als eine universelle Eigenschaft der vier SH3-Domänen, wobei die einzelnen SH3–Domänen-Peptid-Interaktionen von zusätzlichen, spezifitätsdetermierenden Resten im Liganden abhängig waren. Darüber hinaus zeigten die Experimente deutliche Unterschiede hinsichtlich Selektivität und Promiskuität im Erkennungsverhalten der vier Domänen. Die Domänen konnten nach steigender Selektivität an Hand der Bestimmung von Grenzwerten und Integralen geordnet werden, nämlich Myo5 < Abp1 < Yhr016 < Rvs167. Ein gemeinsamer Ligand für alle vier Domänen konnte nicht identifiziert werden. Dagegen konnten gemeinsame Liganden für die Domänenpaare Myo5/Abp1 und Yhr016/Rvs167 bestimmt werden. Die Bindungspräferenzen zweier ausgewählter Liganden, dem Myo5/Abp1 Liganden ERPKRRAPPPAPKKP und dem Yhr016/Rvs167 Liganden VQQDSLPKLPFRSWG, wurden mit Hilfe von Substitutions- und Längenanalysen detailliert charakterisiert. Es zeigte sich deutlich, dass die selektiveren SH3-Domänen Yhr016 und Rvs167 einen klar definierten und kurzen Konsensus im Liganden binden, hingegen die mehr promiskuitiven Domänen Myo5 und Abp1 ein stärker variables und längeres Motiv im Liganden erkennen. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigten, dass die hier gewählte Methode geeignet ist, die proteomische Charakterisierung aller dreißig Hefe SH3-Domänen in Angriff zu nehmen. / SH3-Domains are protein modules, which recognize polyproline sequences. The Domains are involved in a variety of cellular processes. The recognition rules between peptide ligands and selected SH3-Domains were analysed in respect of selectivity versus promiscuity. This dissertation is a preliminary test for subsequent scanning the whole number of yeast SH3-Domains. The SH3-Domains Myo5, Abp1, Yhr016 and Rvs167 were selected and chosen for interaction with all yeast polyproline ligands. A peptide array was chosen and built up with SPOT-Synthesis. 2953 15-mere peptides were spotted as an array on a cellulose membrane and inspected for regeneration method. The regeneration failed and therefore four arrays were synthesised. The scanning experiments revealed an interaction between Ligand and Domain with a common polyproline core. However, these experiments demonstrated as well that specific residues were needed for operative ligand domain interaction. In addition, these four SH3-Domains exhibited clear differences in selectivity and promiscuity of recognition profiles. The integrals and the results after the setting of the threshold showed a distinct increase in selectivity. The arrangement was based on the increasing selectivity: 1. Myo5 2. Abp1 3. but cases of consistency were found between Abp1- and Myo5-SH3, as well as ligands between Yhr16- and Rvs167-SH3. The Myo5-/Abp1-Ligand ERPKRRAPPPAPKKP and the Yhr016-/Rvs167 ligand VQQDSLPKLPFRSWG were selected for characterisation of the peptide domain interaction through the analysis of substitution and length. The data showed that more selective Domains like Yhr016 and Rvs167 had a well-defined and short consensus, whereas more promiscuous Domains like Yhr016 and Rvs167 showed a mutable and longer consensus. In conclusion, the data showed that the SPOT-Synthesis is a suitable technique for a proteomic characterisation of the whole 30 yeast SH3-Domains.

c-di-GMP stellt einen wichtigen Regulator bei der Kontrolle von Motilität, Virulenz und der Biofilmbildung in Bakterien dar. Aufgrund der Vielfalt c-di-GMP-synthetisierender (Diguanylatzyklasen, DGC) bzw. abbauender (Phosphodiesterasen, PDE) Enzyme, c-di-GMP-bindender Effektoren und zellulärer Antworten etablierte sich die Theorie paralleler Regulationsmodule, die sich aus DGC, PDE, Effektor und Zielmolekül zusammensetzen und spezifische Prozesse wie die Cellulose-Synthese kontrollieren. Während die Aktivierung dieser durch c-di-GMP bereits verstanden und damit Effektor und Zielmolekül bekannt sind, konnten dem Modul bisher keine spezifisch wirkenden DGCs und PDEs zugeordnet werden. Im Rahmen dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die Proteine DgcC und PdeK in E. coli spezifisch auf die Cellulose-Synthese in Makrokolonie-Biofilmen wirken und ein solches c-di-GMP-Modul bilden. Beide sind aktiv an der Umsetzung von c-di-GMP beteiligt und mittels Interaktionen Teil eines Multi-Protein-Komplexes, der auch die Cellulose-Synthase-Einheiten BcsA und BcsB umfasst. Aufgrund dieser Co-Lokalisation können DgcC und PdeK die c-di-GMP-Konzentration in unmittelbarer Umgebung zum c-di-GMP-bindenden Effektor BcsA kontrollieren. DgcC-PdeK somit stellen das erste Regulationsmodul dar, welches durch lokalisierte Synthese und Abbau von c-di-GMP wirkt und dessen Spezifität aufgrund multipler Protein-Interaktionen gewährleistet wird. 2011 kam es in Mitteleuropa zu einem schweren Ausbruch von Shiga-Toxin-produzierenden E. coli O104:H4, in dessen Verlauf fast 4000 Menschen erkrankten und etwa 20% ein Hämolytisch-urämisches Syndrom entwickelten. Die in dieser Arbeit erlangten Ergebnisse legen nahe, dass die einzigartige Kombination aus Toxin-Produktion und Biofilm-assoziierter Eigenschaften – das Potential zur c-di-GMP-Akkumulation (TL Povolotsky), verstärkte CsgD-Synthese und vor allem keine Cellulose-Produktion– möglicherweise zur erhöhten Virulenz dieses E. coli O104:H4 beitragen. / c-di-GMP represents an important regulator in the control of motility, virulence and biofilm formation. Due to the multiplicity of c-di-GMP-forming (diguanylate cyclases, DGCc) and -degrading (phosphodiesterases, PDEs) enzymes, c-di-GMP-binding effectors and cellular outputs, the theory of parallel existing c-di-GMP-regulation modules was established. Such a module consists of a DGC, a PDE, an effector and a target controlling a specific cellular output such as cellulose synthesis. Whereas the activation of cellulose synthesis is well understood, and therefore effector and target molecule are known, so far no DGC or PDE has been associated with the cellulose-specific c-di-GMP-module. Within the framework of this work it was shown that DgcC and PdeK act specifically on the regulation of cellulose synthesis in macrocolony biofilms, thus forming a c-di-GMP module. Both proteins are enzymatically active concerning c-di-GMP metabolism and through protein-interactions part of a multi-protein-complex, which includes the cellulose synthase-subunits BcsA and BcsB, too. Due to this co-localisation DgcC and PdeK can control the c-di-GMP-concentration in close proximity to the c-di-GMP-binding cellulose-synthase BcsA. Therefore, DgcC-PdeK represents the first signalling module, which acts through local c-di-GMP-synthesis and -degradation and controls specifically cellulose because of multiple protein-interactions with the synthase-complex. In 2011 a serious outbreak of shiga toxin producing E. coli O104:H4 occurred in Middle Europe with nearly 4000 patients of whom approximately 20% developing haemolytic uraemic syndrome. The results obtained in this study suggest that a unique combination of shiga toxin production and biofilm-associated properties – the potential of c-di-GMP accumulation (see PhD Thesis T. L. Povolotsky), enhanced CsgD-synthesis at 37°C and especially no cellulose production – potentially contribute to the enhanced virulence of E. coli O104:H4.

This thesis reports the inspection and manipulation of thin ferroelectric films of lead titanate (PbTiO3 : PTO), lead zirconium titanate (Pb(Zr0.25Ti0.75)O3 : PZT), and barium titanate (BaTiO3 : BTO) by means of scanning force microscopy - specifically Piezoresponse and Kelvin-Probe. The film thickness of the investigated samples ranged between 50nm and 800nm. This experimental work focussed on the following issues: native domain structures, creation of domains by short voltage pulses and area-switching with the force microscope, local qualitative and quantitative measurements of the ferroelectric hysteresis loops, and investigations at the interface between film and platinum-electrode in the PZT/Pt-System. Lamellar domain structures were visualized with high lateral resolution of 5nm on the surface of the PTO-samples, whereas the PZT- and BTO-samples showed prepolarisation and no domains. In the switching experiments a pronounced thickness dependence was found and partly a good agreement to macroscopic measurements. For BTO-films of 50nm and 125nm thickness no stable switching of polarisation could be observed. Using appropriate preparation methods it was possible to provide evidence of a 200nm thick interface layer with reduced polarisation above the electrode in the PZT/Pt-system. / Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung dünner ferroelektrischer Schichten von Bleititanat (PbTiO3 : PTO), Bleizirkoniumtitanat (Pb(Zr0.25Ti0.75)O3 : PZT) und Bariumtitanat (BaTiO3 : BTO) und deren Manipulation auf der sub-µm-Skalamittels Rasterkraftmikroskopie. Die Dicke der Schichten lag im Bereich von 50nm bis 800nm. Zum Einsatz kamen die Meßmodi Piezoresponse und Kelvin-Sonde. Die experimentelle Arbeit erstreckte sich über die Abbildung von Domänenstrukturen, die Erzeugung von Domänen durch kurze Spannungspulse und flächiges Umschalten mit dem Kraftmikroskop, lokale qualitative und quantitative Messungen der ferroelektrischen Hysterese, sowie Untersuchungen an der Grenzschicht zwischen Film und Platin-Elektrode am PZT/Pt-System. Lamellenartige Domänenstrukturen konnten mit hoher lateraler Auflösung von 5nm auf der Oberfläche von PTO abgebildet werden. Die PZT- und BTO-Proben waren vorpolarisiert und es ließen sich keine Domänen nachweisen. Bei den Schaltversuchen wurde eine ausgeprägte Schichtdickenabhängigkeit der Koerzitivfeldstärken und teilweise gute Übereinstimmung mit makroskopischen Messungen gefunden. Für dünne BTO-Schichten von 50nm und 125nm Dicke konnte kein stabiles Umschalten der Polarisation gezeigt werden. Mittels geeigneter Präparation der PZT/Pt-Grenzschicht konnte durch direkte Messung eine Schicht von 200nm Dicke mit verminderter Polarisation oberhalb der Elektrode nachgewiesen werden.

Das Ziel dieser Arbeit ist die optische Untersuchung von ferroelektrischen Domänen und Domänenwänden auf lokaler Skala. Dafür wurden neuartige nichtinvasive Ansätze entwickelt, die auf der Anwendung optischer Rastersondenmikroskopie basieren. Die untersuchten Schlüsseleigenschaften umfassen den elektrooptischen Effekt für verschiedene Domänenorientierungen und die Brechungindexänderungen an Domänenwänden an Bariumtitanat-Einkristallen. Die lokale Messung der elektrooptischen Eigenschaften wurde mit räumlich stark begrenzten elektrischen Feldern durchgeführt, die mittels elektrisch leitfähigen Spitzen angelegt wurden. Dieser experimentelle Ansatz erlaubt nicht nur die Messung verschiedener elektrooptischer Koeffzienten, sondern auch die Unterscheidung von allen auftretenden, auch antiparallelen, Domänenausrichtungen. Durch Anlegen eines zusätzlichen elektrischen Feldes mittels der gleichen Spitze konnte auch das ferroelektrische Schalten mit dieser optischen Methode untersucht werden. Die Experimente wurden durch eine numerische Modellierung der elektrischen Feldverteilung und der resultierenden elektrooptischen Antwort begleitet. Die Ergebnisse der Modellierung sind dabei in sehr guter Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen. Dies erlaubt auch die Trennung von Beiträgen verschiedener elektrooptischer Koeffzienten und den entsprechenden Feldkomponenten. ür die experimentelle Untersuchung von den theoretisch vorhergesagten Brechungsindexprofilen einzelner Domänenwände, wurde die Sensitivität der optischen Sonde auf lokale Änderungen des Brechungsindex mittels Polarisations- und Positionsmodulation erhöht. Obwohl die Abbildung einer einzelnen Domänenwand nicht gelang, konnte damit zumindest eine obere Grenze für den optischen Effekt einer Domänenwand experimentell gewonnen werden, welche verträglich mit den theoretischen Vorhersagen ist. / The goal of this thesis is the optical investigation of ferroelectric domains and domain walls at the very local scale. For that, novel noninvasive approaches based on optical scanning probe microscopy are developed. The key properties investigated are the electrooptic effect for different domain orientations and refractive-index changes at single domain walls of barium titanate single crystals. The local probing of the electro-optic response is performed with strongly confined electric fields, applied via a conductive tip. With this approach we can not only probe different electro-optic coeffcients, but also identify all occurring domain orientations, even antiparallel ones. The application of additional bias fields by the same tip is used to investigate ferroelectric switching and domain growth by optical means. The experiments are supported by numerical modelling of the electric-field distribution and the resulting electro-optic response. The modelling shows excellent agreement with the measurements, and allows us to separate the contributions of different electro-optic coeffcients and their associated electric-field components. For the experimental observation of the theoretically predicted refractive-index profiles at single ferroelectric domain walls, polarization and position modulation of the optical probe is used to obtain high sensitivity to local modifications of the refractive index. An upper limit to the optical effect to the optical effect of a single domain wall is deduced from the experiment, which is compatible with the effect predicted by theory.

Im Rahmen der Dissertation wurde das Phänomen der Wechselwirkungsdomänen sowohl experimentell als auch unter Zuhilfenahme mikromagnetischer Simulationen untersucht. Gegenstand der Untersuchungen waren einphasige NdFeB-Magnete, die durch Heißpressen und anschließender Warmumformung hergestellt wurden. Zusätzlich wurden über den gleichen Herstellungsweg Kompositproben aus NdFeB und Fe mit unterschiedlichen Partikelausgangsgrößen erhalten und studiert. Korrelationsuntersuchungen verschiedener Messmethoden haben gezeigt, dass im thermisch entmagnetisierten Zustand die Grenzen der Wechselwirkungsdomänen an der Oberfläche größtenteils entlang von Korngrenzen verlaufen. Mittels in-situ MFM wurden erstmalig Untersuchungen von Wechselwirkungsdomänen an massiven NdFeB-Magneten im Magnetfeld durchgeführt. Die Ummagnetisierung erfolgt dabei über die Bewegung der Domänengrenze durch schrittweises Wandern von einer Korngrenze zur benachbarten. Die Beweglichkeit der Domänengrenzen ist durch das Haften an den Korngrenzen gehemmt, was sich in der geringeren Suszeptibilität der warmumgeformten Magnete im Vergleich zu Sintermagneten bemerkbar macht. Aufgrund der eingestellten Mikrostruktur in den warmumgeformten Magneten kann folglich gesagt werden, dass die Ummagnetisierungsprozesse sowohl Merkmale von klassischen Nukleations-, als auch von klassischen Pinningmagneten aufweisen. Mit Hilfe von mikromagnetischen Simulationen konnte eine Eindomänenteilchengröße prismatischer Partikel mit quadratischer Grundfläche ermittelt werden. Außerdem konnte gezeigt werden, dass der Winkel des Streufeldvektors eine entscheidende Rolle bei Ummagnetisiserungsprozessen in solchen Partikeln spielt. Die Superposition des Streufeldvektors mit dem Vektor des angelegten Feldes führt zu einem Gesamtfeldvektor, dessen Winkelabhängigkeit ein Stoner-Wohlfarth ähnliches Verhalten zeigt.