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Der Einschluss von Licht in Mikroresonatoren erlaubt die Realisierung hocheffizienter Lichtquellen - Wissenschaftliche Arbeit des Institut für Theoretische Physik (ITP) , Dr. J. Wiersig
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Star - Freie grafische Analogie, Nils Penner | i/i/d
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Spot - Fotografische Analogie, © getty images
| "Einschluss von Licht in Mikroresonatoren"
Das linke Bild zeigt einen computerberechneten Schnappschuss von Lichtwellen innerhalb und außerhalb eines Mikrokristalls (Kristall mit Abmessungen im Bereich weniger Millionstel Meter). In dieser Falschfarbendarstellung ist der Farbverlauf von Rot über Gelb, Grün, Blau bis zu Schwarz den Übergang von starker zu geringer Lichtintensität zugeordnet. Deutlich zu erkennen ist die Lokalisierung von Licht im Kristall nahe der Oberflächen, sowie die Abstrahlung in sechs Hauptrichtungen.
Anwendungen finden solche Computersimulationen in der Charakterisierung und Herstellung von kleinsten Lasern mit Mikrokristallen als optischen Resonator. Solche Mikrolaser sind hocheffiziente Lichtquellen mit einem großen Anwendungspotential z.B. in der Telekommunikation und der Datenverarbeitung.
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Raster-Elektronen mikroskopische Aufnahme der Perlmuttschicht einer Schneckenschale - Institut für Biophysik, F. Heinemann
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Sequence - Freie grafische Analogie, Nils Penner | i/i/d
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Layer - Fotografische Analogie, © www.photocase.de
| "Der Weg zu künstlichem Perlmutt"
Perlmutt ist ein Kompositmaterial. Es besteht aus abwechselnden Lagen organischem Material (Chitin und Proteine) und Kalziumkarbonat (CaCO3). Das Kalziumkarbonat im Perlmutt liegt als Aragonit vor, einer von mehreren möglichen CaCO3 Kristallformen. Es wird angenommen, dass der Chitinbestandteil im Perlmutt während des Schalenwachstums über gebundene Proteine das Wachstum der CaCO3 Kristalle beeinflusst. In der Arbeitsgruppe von Monika Fritz (Institut für Biophysik, Universität Bremen) wird diese Hypothese untersucht, indem das proteinmodifizierte Chitin aus Schneckenperlmutt nach Entfernen des mineralischen Anteils wieder remineralisiert wird. Ziel ist es, den Aufbau und das Wachstum von Perlmutt zu verstehen, um es in Zukunft künstlich herstellen zu können und etwas über allgemeine Prinzipien der Biomineralisation zu lernen.
Das linke Bild zeigt eine Raster-Elektronen mikroskopische Aufnahme der Bruchfläche einer Schneckenschale (Gattung Haliotis, deutsch: Seeohr). Es ist das aus vielen gestapelten Aragonitplättchen aufgebaute Perlmutt zu sehen. Ein Plättchen hat ca. 0.5 µm Höhe und etwa 8µm Durchmesser. Zwischen den Plättchen befindet sich organisches Material, das im Bild nicht sichtbar ist. Da die Abstände der Plättchen in der Größenordnung der Wellenlänge sichtbaren Lichtes liegen, ergibt sich das charakteristisches Schillern.
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Lichtmikroskopische Aufnahme eines Display-Ausschnitts während der Produktionsphase. Die sechseckigen Strukturen (Durchmesser: 100 µm) stellen später die einzelnen Bildpunkte (Pixel) dar ? Institut für Mikrosensoren, -aktuatoren und -systeme (IMSAS), Dipl-Phys. T. Knieling
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Translucency - Freie grafische Analogie, Tina Wessel | i/i/d
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Bubbles - Fotografische Analogie, © www.photocase.de
| "Neuartiges Interferenzdisplay"
Das Institut für Mikrosensoren, -aktuatoren und -systeme (IMSAS) der Universität Bremen hat ein neuartiges Display entwickelt, dessen Pixel aus elektrisch schaltbaren Interferenzstrukturen bestehen. Der Effekt der Interferenz kann im täglichen Leben - z.B. bei Seifenblasen oder Ölfilmen auf Wasserpfützen - beobachtet werden. Die sich ständig ändernden Dicken des Ölfilms bzw. der Seifenblasenhaut führen zu unterschiedlichen Überlagerungen der einfallenden Lichtwellen und erzeugen so verschiedene Farben. Bei den Display-Elementen (Pixeln) kann diese "Filmdicke" nun definiert verändert werden und zwar durch die Veränderung einer Luftspaltdicke unterhalb einer elektrisch ausgelenkten, sehr dünnen (ca. 200 nm) Membran. Der Herstellungsprozess der Displays beruht auf mikrosystemtechnischen Verfahren. Das Display selbst besitzt Abmessungen im mm-Bereich bei einer Auflösung von 90 Pixeln/mm2. Die möglichen Anwendungen liegen der Oberflächenvermessung durch stereografische Musterprojektion, in der Laserbeschriftung sowie in der einfachen Bildprojektion wie z.B. in Head-Mount-Displays, Kfz-Armaturen oder Informationssystemen.
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Darstellung der Soft-Handover Wahrscheinlichkeiten im Referenzszenario Berlin - Wissenschaftliche Arbeit des Zentrum für Informations- und Kommunikationstechnologie (ikom) , Prof. Dr. C. Görg
© Clutter Data (2002), E-Plus Mobilfunk GmbH & Co KG
© Digital Building Model (2002), E-Plus Mobilfunk GmbH & Co KG
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New Order - Freie grafische Analogie, Nils Penner | i/i/d
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Berlin - Fotografische Analogie, © Luftbildarchiv Berlin
| "Soft-Handover"
Bei UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) können zur besseren Unterstützung der Übergaben von Verbindungen die mobilen Endgeräte mehreren Zellen zugeordnet werden. Bei der Netzplanung interessiert die Wahrscheinlichkeit, dass in den Übergangsgebieten ein Endgerät mehreren Zellen zugeordnet ist, sich also im so genannten Soft-Handover befindet. Auf dem Bild dargestellt ist Berlin, Alexanderplatz. Zu sehen ist für eine gewählte Positionierung von Basisstationen (weiße Kreise mit zwei oder drei abgehenden Linien, meist 3 Zellen / Antennensektoren pro Basisstation) für jeden Punkt die Wahrscheinlichkeit, dass ein Endgrät mit mehr als einer Zelle verbunden ist. Schwarze Regionen bedeuten, dass dort während der Simulation kein Verkehr erzeugt wurde, z.B. Wasserflächen. Dunkelblaue Regionen haben die geringste, rote Regionen die höchste Wahrscheinlichkeit. Dort, wo sich die Abdeckungsbereiche der Antennensektoren überlappen, sind die Wahrscheinlichkeiten höher. In dichter besiedelten Gebieten stehen die Basisstationen enger zusammen, die Wahrscheinlichkeiten sind höher (rote Farbe) und die Strukturen sind weniger homogen.
Diese Simulation basiert auf exakten Daten über Bebauung und Bodenbeschaffenheit und die daraus resultierenden Pfadverluste für die Funkverbindungen zwischen den mobilen Endgeräten und den Basisstationen sowie auch für die gegenseitigen Störungen der Funkverbindungen untereinander. Diese Daten wurden von einem Netzbetreiber ausschließlich für die Verwendung in einem EU-Projekt zur Verfügung gestellt.
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Simulation der Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen einer Mobilfunk-Vierer-Patch-Antenne - Wissenschaftliche Arbeit des Zentrum für Informations- und Kommunikationstechnologie (ikom) , Prof. Dr. F. Arndt
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Spreading - Freie grafische Analogie, Tina Wessel | i/i/d
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Fusing Waves - Fotografische Analogie, © www.photocase.de
| "Feldanregung einer Antenne"
Die gestiegenen Anforderungen an Komplexität, Kompaktheit, universeller Einsetzbarkeit, Zuverlässigkeit, sowie an kostengünstiger und kurzfristiger Herstellbarkeit der verschiedenen Komponenten der Hochfrequenztechnik bedingen zum Entwurf den Einsatz neuer numerischer Verfahren, die neben hoher Genauigkeit so effizient sein müssen, dass leistungsfähige Optimierungsalgorithmen sinnvoll eingesetzt werden können. Der zentrale Forschungsschwerpunkt des Arbeitsbereichs Hochfrequenztechnik (HF-Technik) ist seit vielen Jahren der rechnergestützte Entwurf von HF-Komponenten und Antennen mit innovativen feldtheoretisch exakten Methoden. Bei der Entwicklung der Methoden und deren konkretem Einsatz für den exakten rechnergestützten Entwurf (CAD) kann der Arbeitsbereich Hochfrequenztechnik auf fundierte Erfahrung zurückgreifen. Im Beitrag ist das Ergebnis einer Simulation der Feldanregung einer Mobilfunk-Vierer-Patch-Antenne zu einem definierten Zeitpunkt zu sehen. Die Simulation wird mit einem im Arbeitsbereich Hochfrequenztechnik entwickelten (FD-TD Finite Difference Time Domain) Programm mit neuartiger Subgrid-Technik durchgeführt.
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Digitale Filter sind Rechenvorschriften, die auf verschiedene Arten - auf einem Computer oder durch spezielle integrierte Schaltkreise - realisiert werden können - Zentrum für Informations- und Kommunikationstechnologie (ikom), Dipl.-Ing. J. Rinas
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The Wall - Freie grafische Analogie, Nils Penner | i/i/d
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Filter - Fotografische Analogie, Nils Penner | i/i/d
| "Digitale Filter"
Aus der Rechenvorschrift eines konkreten digitalen Filters können Pol- und Nullstellen ermittelt werden. Mit Hilfe dieser Pol- und Nullstellen ist es möglich, die gezeigte Darstellung zu erzeugen, indem man sich eine Membran (Gummihaut) vorstellt, die an den Positionen der Nullstellen (hier: 0+i0 und -1+i0) nach unten ausgelenkt und an den Positionen der Polstellen (hier:0,5+i0,5 und 0,5-i0,5) nach oben ausgelenkt wird. Soll der Frequenzgang des Filters bestimmt werden, so ist das Verhalten des Filters auf einem Kreis mit dem Radius eins (schwarz eingezeichnet) zu untersuchen: Von der Position 1+i0 (^=Frequenz 0Hz) ausgehend wird die auf der vertikalen Achse in dB dargestellte Verstärkung/ Dämpfung bis zur Position 1-j0 (^=maximale Frequenz des digitalen Systems) betrachtet. Es zeigt sich, dass die Polstellen (Auslenkung nach oben) für eine Verstärkung bei niedrigen Frequenzen verantwortlich sind, während die Nullstelle bei -1+i0 für eine starke Dämpfung von Signalen nahe der maximalen Frequenz verantwortlich ist. Bei dem betrachteten Filter handelt es sich also um einen Tiefpass. Durch geschickte Wahl der Pol- und Nullstellen lassen sich digitale Filter mit fast beliebiger Charakteristik konstruieren. Digitale Filter finden in fast allen modernen Geräten des
Alltags Anwendung: Von Telefonen, über MP3- und CD-Spieler bis hin zu modernen Waschmaschinen als Bestandteil von Regelkreisen.
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Computersimulation der Evolution konkurrierender
Spieler mit verschiedenen Strategien (farblich dargestellt) - Wissenschaftliche Arbeit der Arbeitsgruppe Physik komplexer Systeme (ITP), Prof. Dr. S. Bornholdt
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Mutual Impact - Freie grafische Analogie, Tina Wessel | i/i/d
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Versus - Fotografische Analogie, © www.photocase.de
| "Koevolution"
Der Wettlauf zwischen den Arten in der biologischen Evolution hat eine erstaunliche Komplexität in der Natur hervorgebracht. Doch warum ist bloße Konkurrenz ein so hervorragender Architekt? Um dies zu studieren bauen wir eine einfache Konkurrenzsituation im Modell nach: Spieler auf einem Schachbrettmuster spielen gegen ihre Nachbarn ein kniffliges Spiel (hier das sog. Iterierte Gefangenendilemma). Konkurrenz entsteht dadurch, dass die Spieler ihre Strategien weiter verändern dürfen und sich erfolgreiche Spieler fortpflanzen dürfen und damit erfolglose Spieler in der Folge langsam verdrängen - ein Wettkampf entsteht. Überlässt man dieses künstliche Ökosystem einige Zeit sich selbst, so stellt sich eine Situation wie im linken Bild ein: Populationen von Spielern mit verschiedensten Strategien (hier mit verschiedenen Farben dargestellt) koexistieren und entwickeln sich weiter. Nicht ein einzelner Spieler ist der Gewinner: Denn welche der Überlebensstrategien die beste ist hängt von der eigenen Nische in der Umwelt ab und die kann sich mit der Zeit ändern. Das Ergebnis ist eine bunte Vielfalt künstlicher Lebewesen, die sich im gegenseitigen Wechselspiel unaufhörlich weiterentwickelt. Solche Modelle können uns Hinweise auf den Ursprung der Biodiversität unserer Natur und ihrer erstaunlichen Stabilität geben.
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Ozeansimulation für Klimarekonstruktion (Paläozeanografie/Paläoklimatologie)
- Zentrum für marine Umweltwissenschaften (Marum), Dr. M. Butzin
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Flow - Freie grafische Analogie, Nils Penner | i/i/d
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Stream - Fotografische Analogie, © getty images
| "Ozeanschnitt"
Die Abbildung zeigt die simulierte Umwälzbewegung von Wassermassen im Atlantik im Nord-Süd-Schnitt, wenn Nord- und Südamerika durch einen ungefähr 1000 km breiten und 200 m tiefen Graben getrennt sind (grauer Kasten), wie dies vor ungefähr fünf Millionen Jahren noch der Fall war. Schwarze Bereiche markieren den Meeresboden. Warme Farbtöne bedeuten, dass Wasser im Urzeigersinn strömt, d.h. warmes Oberflächenwasser fließt aus den Tropen und Subtropen in den Nordatlantik, sinkt dort ab, und strömt in mittleren Tiefen wieder nach Süden. Dieses Strömungssystem wird oft als ozeanisches Förderband (engl. "conveyor belt") bezeichnet, das mit dem Wasser auch Wärme nach West- und Nordeuropa transportiert. Kalte Farben bedeuten Strömungen entgegen dem Uhrzeigersinn: Antarktisches Wasser strömt am Boden in den Nordatlantik ein, quillt dort bis in mittlere Tiefen auf und fließt von dort in den Südatlantik zurück. Die Simulation lässt eine intensivere Bodenströmung als heute erkennen. Hingegen ist die meridionale Oberflächenströmung gegenüber der heutigen Situation abgeschwächt, denn das ozeanische Förderband wird durch den mittelamerikanischen Einstrom pazifischen
Wassers gestört.
Anwendung:
Es werden die Wechselwirkungen zwischen Ozean und Atmosphäre in einem bestimmten Abschnitt der Erdgeschichte (hier: Miozän) untersucht. Vergleiche von Modellrechnungen mit geologischen Daten tragen zu einem tieferen Verständnis des Klimasystems bei, das zu verbesserten Klimaprognosen führen soll.
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Winzige Nanostrukturen für Anwendungen in Zukunftstechnologien können mit Hilfe intensiver Röntgenstrahlung ?sichtbar? gemacht und hochpräzise untersucht werden - Institut für Festkörperphysik (IFP), Dr. J. I. Flege
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Irregular Surface - Freie grafische Analogie, Tina Wessel | i/i/d
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Regular Surface - Fotografische Analogie, © www.photocase.de
| "Streuung von Röntgenstrahlung an Nanopyramiden"
Nanostrukturierte, maßgeschneiderte Oberflächen bieten ein immenses Potential für die Entwicklung neuartiger Bauteile in der Nanoelektronik, der chemischen Katalyse und für biomedizinische Anwendungen. Einen sehr attraktiven Ansatz in Bezug auf den industriellen Einsatz stellt die Deposition chemisch hergestellter Nanopartikel definierter Form und Größe dar, welche durch spezielle Verfahren auf die Oberfläche abgeschieden werden. Hierbei können Selbstorganisationsprozesse ausgenutzt werden, so daß es zu einer regelmäßigen Partikelanordnung, also einem periodischen Netzwerk, kommen kann. Das Bild zeigt ein simuliertes Röntgenstreubild einer Oberfläche, auf der sich pyramidenstumpfförmige Nanopartikel in regelloser Anordnung befinden. Bei der experimentellen Durchführung wird dabei die zu untersuchende Probe mit intensiver Röntgenstrahlung beleuchtet und hinter der Probe die räumliche Verteilung der gestreuten Röntgenintensität gemessen. Da sowohl die Größe und die Form der Partikel, als auch ihre örtliche Anordnung zueinander deutliche Beiträge zu dem Streubild liefern (rote Färbung bedeutet hohe Intensität, blaue Färbung niedrige Intensität), kann durch wiederholten, systematischen Vergleich von Meßergebnis und Simulation bei Variation verschiedener struktureller Parameter die oberflächenstruktur bestimmt werden.
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Das Bild zeigt einen mikrosystemtechnisch gefertigten Strömungssensor zur Messung der Fließgeschwindigkeit von Flüssigkeiten und Gasen in Kanälen, zum Beispiel zur Bestimmung kleinster Flüssigkeitsmengen oder Durchflussraten - Institut für Mikrosensoren, -aktuatoren und -systeme (IMSAS), Dipl.-Ing. R. Buchner, Dipl.-Ing. C. Sosna, Dipl.-Ing. O. Lassek
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Speed - Freie grafische Analogie, Tina Wessel | i/i/d
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Fall - Fotografische Analogie, © www.photocase.de
| "Mikrosystemtechnik - Thermischer Strömungssensor"
Das Grundmaterial ist Silizium. Der eigentlich messende Bereich besteht aus einer dünnen Membran, in deren Mitte sich eine Heizwendel befindet, die elektronisch auf eine feste Temperatur, weniger 10° C über der Temperatur des Fluides, geregelt wird. Links und rechts von der Heizwendel befinden sich im gleichen Abstand Thermometer. Mit diesen wird die Temperaturdifferenz stromaufwärts und stromabwärts über der Membran gemessen. Ohne Strömung ist die Differenz Null. Bewegt sich jedoch ein Fluid über die Membran, so kommt es zu einer Temperaturdifferenz zwischen den beiden Seiten des Heizers. Diese Differenz gibt zum einen Aufschluss über die Fließgeschwindigkeit und damit bei bekanntem
Querschnitt des Kanals über die Durchflussmenge, zum anderen über die Fließrichtung durch das Vorzeichen. Als Thermometer kommen Thermosäulen zum Einsatz. Jede Thermosäule besteht aus 15 Thermoelementen und jedes Element wiederum aus zwei unterschiedlich leitfähigen Materialien, die an zwei Punkten miteinander verbunden sind. Die erste Verbindungsstelle des Thermoelementes befindet sich in der Nähe des Heizers auf der Membran, die zweite auf dem Siliziumsubstrat und somit auf konstanter Temperatur. Besteht zwischen den beiden Verbindungsstellen eine Temperaturdifferenz, dann ist aufgrund des Seebeck-Effektes eine zur Temperaturdifferenz proportionale Spannung messbar.
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