Proefschrift Universiteit Maastricht. / Met bibliogr., lit. opg.-Met samenvatting in het Nederlands.

Proefschr. Rijksuniversiteit Groningen. / Met bibliogr., lit.opg. - Met samenvatting in het Nederlands.

Thesis--Leyden. / In Periodical Room.

Im Jahre 2001 wurde im Zentrum der Grube Messel, ca. 25 km südlich von Frankfurt gelegen, eine 433 m tiefe Bohrung abgeteuft. Geowissenschaftliche Ergebnisse, die durch die Bohrung gewonnen wurden, konnten die Herkunft des rundlichen Beckens durch eine Maar-Diatrem-Struktur erklären. Die erbohrten Kerne sind vom Hangenden zum Liegenden durch lakustrine Sedimente (0-240 m) und vulkaniklastische Gesteine gekennzeichnet, letztere werden durch Lapillituffe (240-373 m) and der Diatrem-Brekzie (373 433 m) beschrieben. Die Lapillituffe, auf die hier das Hauptaugenmerk gelegt wurde, sind makro- und mikroskopisch schwer differenzierbar und erscheinen als ein einzig massig auftretender, unsortierter vulkaniklastischer Körper, der hauptsächlich aus millimeter- bis zentimeter-großen juvenilen Klasten und Nebengesteinsbruchstücken aufgebaut ist. Die hier vorliegende Arbeit präsentiert die gesteinsmagnetischen Eigenschaften von Kernproben der Messel Vulkaniklastika und erklärt die Herkunft der magnetischen Anomalien, die während des Bohrprojekts 2001 detektiert wurden. Das magnetische Verhalten des eruptierten Materials bezieht sich auf feinkörnige und eisenreiche (Titano) Magnetite, die verteilt in den juvenilen Lapilli auftreten. Experimente der temperaturabhängigen Suszeptibilität sowie isothermale remanente Magnetisierungs- und Hystereseuntersuchungen an den vulkaniklastischen Proben zeigen im Sinne der Zusammensetzung, Koerzivität und Korngröße (Pseudo-Einbereichsteilchen) sehr ähnliche ferrimagnetische Eigenschaften. Das eruptierte Material mit seinen ferrimagnetischen Mineralen besaß bei der Ablagerung ein sehr ähnliches Potential zum primären Remanenzerwerb. Entmagnetisierungsversuche offenbaren Unterscheide im magnetischen Stabilitätsverhalten der erworbenen natürlich remanenten Magnetisierung (NRM). Aufheizexperimente beweisen die Akquisition einer thermisch remanenten Magnetisierung durch Temperatureffekte, die bei der Eruption und der Ablagerung des vulkanischen Gesteins im Diatrem auftraten. Die obere Lapillituffhälfte wurde bei relativ niedrigen Temperaturen (<300 °C), die unter Hälfte bei hohen Temperaturen (>>300 °C) abgelagert. Um den gesteinsmagnetischen Charakter der Messel Maar-Diatrem-Fazies besser zu verstehen, sind zusätzlich die Partikelkorngröße, der relative Anteil und die Form der juvenilen Fragmente sowie deren chemische Zusammensetzung näher untersucht und analysiert worden. Die Methodik der Bildanalyse sowie der Haupt- und Spurenelementanalyse des juvenilen Anteils ermöglicht eine klare Unterteilung der Lapillituffe. Die Kombination der Resultate der Partikelanalytik mit den gesteinsmagnetischen Befunden begünstigt die Einteilung der Vulkaniklastika in eine relativ heiße, geochemisch undifferenzierte und eine kältere, differenzierte Eruptionsphase. Somit liegt am Ende der vulkanischen Aktivität von Messel ein bivalentes Stadium zugrunde. Dabei sind die juvenilen Fragmente für die Temperaturentwicklung und Wärmebedingungen innerhalb des vulkaniklastischen Materials verantwortlich und tragen zur Herkunft der magnetischen Feldanomalien bei. Basierend auf gravimetrischen Parametern und den Ergebnissen der Magnetisierungs-eigenschaften der Pyroklastika ermöglicht ein 3D Potentialfeld-Modell der Messel Maar-Diatrem-Struktur die an der Erdoberfläche gemessenen negativen Anomalien zu erklären, sowie die Massen und Volumina der erbohrten Lithozonen zu berechnen. / In 2001 the 433 m deep Messel 2001 borehole was drilled in the centre of the Messel Pit, 25 km south of Frankfurt (Germany). Geoscientific results from this drilling clarified the origin of the circular-shaped basin as a maar-diatreme-structure. Recovered deposits consist of lacustrine sediments (0-240 m) and volcaniclastic rocks such as lapilli tuffs (240-373 m) as well as rocks of the underlying diatreme breccia (373 433 m). The lapilli tuffs, as main interest here, show little differentiation on a macro- and microscopic scale and appear as a massive and unsorted volcaniclastic body with dominating juvenile lapilli and accidental clasts mostly in the range of (sub)millimetres to centimetres in diameter. This study presents rock magnetic properties measured on core samples of the volcaniclastic units and explains the origin of downhole magnetic anomalies detected during the drilling project in 2001. Magnetic behaviour of the erupted material is related to fine-grained, Fe-rich (titano)-magnetites, which are dispersed within the juvenile lapilli. Temperature-dependent susceptibility experiments, isothermal remanent magnetisation and hysteresis investigations demonstrate similar ferrimagnetic properties throughout the volcaniclastic material, in terms of composition, coercivity and grain size (pseudo-single-domain particles) of the ferrimagnetic minerals. Thus, during emplacement of the erupted material, the ferrimagnetic minerals had the same remanence acquisition potential. However, demagnetisation experiments show different magnetic stability behaviour of the acquired natural remanent magnetisation (NRM). Heating experiments prove the acquisition of thermal remanent magnetisation (TRM) dominated by temperature effects which could have been occurred during eruption and deposition of volcanic material, forming the Messel maar-diatreme. It is assumed that the upper half of the lapilli tuffs was deposited at relatively low depositional temperatures (<300 °C), whereas the material of the lower half took advantage of higher temperatures (>>300 °C). To understand the rock magnetic character within the Messel maar-diatreme-facies, particle grain sizes, the degree of the relative fraction dominance and the shape of the juvenile fragments have been studied in more detail. Image analytical methods as well as major and trace element analyses on the juvenile fraction support the clear subdivision of the lapilli tuffs. These findings in combination with rockmagnetic data indicate a separation into a relatively hot, geochemically undifferentiated eruption phase and a colder, differentiated phase. A two-condition eruption stage at the end of the Messel volcanic activity is suggested. The juvenile particles account for the temperature evolution and heat conditions during deposition of the Messel tuffs and contribute to the origin of magnetic field anomalies. Based on gravity parameters and the results of magnetisation properties, the potential field 3D-model of the Messel subsurface explains the negative ground anomalies, calculates the mass and volume parameters of the drilled lithozones and shows the asymmetric appearance of the diatreme-structure.

For the realization of a programmable logic device, or indeed any nanoscale device, we need a reliable method to probe the magnetization direction of local domains. For this purpose we extend investigations on the previously discovered tunneling anisotropic magneto resistance effect (TAMR) by scaling the pillar size from 100 µm down to 260 nm. We start in chapter 4 with a theoretical description of the TAMR effect and show experimental data of miniaturized pillars in chapter 5. With such small TAMR probes we are able to locally sense the magnetization on the 100 nm scale. Sub-micron TAMR and anisotropic magneto resistance (AMR) measurements of sub-millimeter areas show that the behavior of macroscopic (Ga,Mn)As regions is not that of a true macrospin, but rather an ensemble average of the behavior of many nearly identical macrospins. This shows that the magnetic anisotropies of the local regions are consistent with the behavior extracted from macroscopic characterization. A fully electrically controllable read-write memory device out the ferromagnetic semiconductor (Ga,Mn)As is presented in chapter 6. The structure consists of four nanobars which are connected to a circular center region. The first part of the chapter describes the lithography realization of the device. We make use of the sub-micron TAMR probes to read-out the magnetization state of a 650 nm central disk. Four 200 nm wide nanobars are connected to the central disk and serve as source and drain of a spin-polarized current. With the spin-polarized current we are able to switch the magnetization of the central disk by means of current induced switching. Injecting polarized holes with a spin angular momentum into a magnetic region changes the magnetization direction of the region due to the p-d exchange interaction between localized Mn spins and itinerant holes. The magnetization of the central disk can be controlled fully electrically and it can serve as one bit memory element as part of a logic device. In chapter 7 we discuss the domain wall resistance in (Ga,Mn)As. At the transition from nanobars to central disk we are able to generate 90° and 180° domain walls and measure their resistance. The results presented from chapter 5 to 7 combined with the preexisting ultracompact (Ga,Mn)As-based memory cell of ref. [Papp 07c] are the building blocks needed to realize a fully functioning programmable logic device. The work of ref. [Papp 07c] makes use of lithographically engineered strain relaxation to produce a structure comprised of two nanobars with mutually orthogonal uniaxial easy axes, connected by a narrow constriction. Measurements showed that the resistance of the constriction depends on the relative orientation of the magnetization in the two bars. The programmable logic device consists of two central disks connected by a small constriction. The magnetization of the two central disks are used as the input bits and the constriction serves as the output during the logic operation. The concept is introduced in the end of chapter 6 and as an example for a logic operation an XOR gate is presented. The functionality of the programmable logic scheme presented here can be straightforwardly extended to produce multipurpose functional elements, where the given geometry can be used as various different computational elements depending on the number of input bits and the chosen electrical addressing. The realization of such a programmable logic device is shown in chapter 8, where we see that the constriction indeed can serve as a output of the logic operation because its resistance is dependent on the relative magnetization state of both disks. Contrary to ref. [Papp 07c], where the individual magnetic elements connected to the constriction only have two non-volatile magnetic states, each disk in our scheme connected to the constriction has four non-volatile magnetic states. Switching the magnetization of a central disk with an electrical current does not only change the TAMR read-out of the respective disk, it also changes the resistance of the constriction. The resistance polar plot of the constriction maps the relative magnetization states of the individual disks. The presented device design serves as an all-electrical, all-semiconductor logic element. It combines a memory cell and data processing in a single monolithic paradigm. / Für die Realisierung eines programmierbaren Logikelements oder beliebiger nanometer großer Bauteile, brauchen wir eine verlässlige Methode, um die Magnetisierungsrichtung lokaler Domänen auzulesen. Dafür erweitern wir die Untersuchungen an TAMR (tunneling magneto resistance) Strukturen und skalieren die Fläche des Tunnelkontakts von 100 µm auf 260 nm. In Kapitel 4 geben wir zunächst eine theoretische Beschreibung des TAMR Effekts und zeigen darauf im folgenden Kapitel 5 experimentelle Daten der miniaturisierten Tunnelkontakte. Mit diesen TAMR-Kontakten ist es möglich die Magnetisierung lokal in einer Grössenordnung von 100 nm zu detektieren. Sub-micron TAMR-Messungen und anisotrope Magnetowiderstandmessungen (AMR) an sub-millimeter Gebieten zeigen, dass das Verhalten von makrokopischen (Ga,Mn)As nicht das eines Makrospins ist, sondern ein Ensembledurchschnitt von vielen fast identischen Makrospins. Dieses Ergebnis ist mit der makroskopischen Beschreibung der lokalen magnetischen Aniotropien konform.\\ Ein rein elektrisch kontrollierbares Read-Write Speicherelement aus dem ferromagnetischen Halbleiter (Ga,Mn)As wird in Kapitel 6 gezeigt. Das Element besteht aus vier 200 nm breiten Streifen, die mit einer kreisförmigen zentralen Disc verbunden sind. Der erste Teil des Kapitels beschreibt die einzelnen Lithographieschritte zur Herstellung des Elements. Zum Auslesen der Magnetisierungsrichtung der zentralen Disc mit einem Durchmesser von 650 nm verwenden wir einen miniaturisierten TAMR-Kontakt. Die 200 nm breiten Streifen dienen als Quelle eines spinpolarisierten Stromes in die zentrale Disc. Das Injezieren von polarisierten Löchern mit einem Spin-Drehimpuls in eine magnetische Region verändert die Magnetisierung der Region durch p-d Austauschwechselwirkung zwischen lokalisierten Mn-Spins und den Löchern. Die Magnetisierung der zentralen Disc kann rein elektrisch kontrolliert werden and als Bit eines Logikelementes verwendet werden. In Kapitel 7 untersuchen wir den Domänenwiderstand in (Ga,Mn)As. Am Übergang von den Streifen zur zentralen Disc ist es möglich 90°- und 180° Domänenwände zu erzeugen und deren Widerstand zu messen.\\ Die Ergebnisse von Kapitel 5 bis 7, kombiniert mit dem bereits existierenden Ergebnissen einer ultrakompakten (Ga,Mn)As-basierenden Speicherzelle von Ref. [Papp 07c], sind die Schlüsselelemente die man zur Realisierung eines programmierbaren Logikelements benötigt. Die Arbeit von Referenz [Papp 07c] nutzt Lithographie induzierte Deformationsrelaxation, um eine Struktur zu erzeugen, die aus zwei senkrechten Streifen besteht und durch eine Verengung verbunden sind. Der Widerstand dieser Verengung ist von der relativen Magnetisierungsorientierung der beiden Streifen abhängig. Das programmierbare Logikelement besteht aus zwei zentralen Discs, die mittels einer schmalen Verengung verbunden sind. Die Magnetisierung der beiden zentralen Discs dienen als Eingänge und die Verengung als Ausgang während der Logikoperation. Das Konzept wird am Ende des sechsten Kapitels eingeführt und als Beispiel für eine Logikoperation wird ein XOR-Gate präsentiert. Die Funktionalität des hier gezeigten programmierbaren Logikschemas kann Problemlos auf ein multifunktionales Element erweitert werden. Diese Geometrie kann abhängig von der Anzahl der Eingänge und der gewählten Adressierung für verschiedene Rechenelemente genutzt werden. \\ Die Realisierung eines programmierbaren Logikelements ist in Kapitel 8 gezeigt. Der Widerstand der Verengung hängt von der relativen Magnetisierungsrichtung der beiden zentralen Discs ab und wird als Ausgang während der Logikoperation verwendet. Im Gegensatz zu Referenz [Papp 07c], indem die einzelnen über die Verengung verbundenen magnetischen Elemente jeweils nur zwei nicht-flüchtige magnetische Zustände besitzen, hat jede zentrale Disc in unserem Schema vier nicht-flüchtige magnetische Zustände. Das Verändern der Magnetisierungsrichtung einer zentralen Disc durch einen elektrischen Strom kann durch den jeweiligen TAMR-Kontakt und durch die Widerstandänderung der Verengung gemessen werden. Der Widerstands-Fingerabdruck (resistance polar plot) der Verengung zeigt die verschiedenen relativen Magnetisierungszutände der zentralen Discs.\\ Das hier präsentierte Konzept dient als reines Halbleiter und rein-elektrisches Logikelement. Es kombiniert eine Speicherzelle und Datenverarbeitung in einem neuartigen monolithischen Bauelement.

Der Zusammenhang zwischen den Parametern der Mikrostruktur des Myokards und der Spindephasierung wird hergestellt. Zur Beschreibung der Mikrostruktur des Myokards wurde das Kroghsche Kapillarmodell genutzt. In diesem Modell wird das Myokard auf eine einzige Kapillare reduziert, die von einem konzentrischen Gewebszylinder umgeben ist. In dem Gewebszylinder findet die Dephasierung und Diffusion statt. Mathematisch wird die Dephasierung durch die Bloch-Torrey-Gleichung beschrieben. Experimentell wurde der Signal-Zeit-Verlauf mittels einer PRESS-Sequenz und einer Gradienten-Echo-Sequenz gemessen. Mit den in dieser Arbeit vorgestellten Methoden ist der Zusammenhang zwischen Kapillarradius und Freien Induktionszerfall bekannt. / The relation between the parameters of the microscopic structure of the myocardium and the spin dephasing is analyzed. The microscopic structure of the myocardium is described in terms of Krogh's capillary model. In this model the myocardium is reduced to a single capillary which is surrounded by a concentric tissue cylinder. In the tissue cylinder the dephasing and diffusion process occurs. Mathematically the dephasing process is described by the Bloch-Torrey-equation. Experimentally the Signal-time-decay was measured using a PRESS-sequence and a gradient-echo-sequence. Using the methods provided in this work, the relation between the capillary radius and the measured free induction decay can be given.

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Proefschrift Universiteit van Amsterdam. / Auteursnaam op omslag: Isam Hagmusa. Met bibliogr., lit. opg. - Met samenvatting in het Nederlands.

Proefschrift Universiteit van Amsterdam. / Met lit. opg. - Met samenvatting in het Nederlands.

Frankfurt (Main), Universiẗat, Diss., 2008. / Erscheinungsjahr an der Haupttitelstelle: 2007.