Cell-Type-Specific Complement Expression in the Healthy and Diseased Retina

Complement dysregulation is a feature of many retinal diseases, yet mechanistic understanding at the cellular level is limited. Given this knowledge gap about which retinal cells express complement, we performed single-cell RNA sequencing on similar to 92,000 mouse retinal cells and validated our results in five major purified retinal cell types. We found evidence for a distributed cell-type-specific complement expression across 11 cell types. Notably, Muller cells are the major contributor of complement activators c1s, c3, c4, and cfb. Retinal pigment epithelium (RPE) mainly expresses cfh and the terminal complement components, whereas cfi and cfp transcripts are most abundant in neurons. Aging enhances c1s, cfb, cfp, and cfi expression, while cfh expression decreases. Transient retinal ischemia increases complement expression in microglia, Muller cells, and RPE. In summary, we report a unique complement expression signature for murine retinal cell types suggesting a well-orchestrated regulation of local complement expression in the retinal microenvironment

Transportphänomene in mesoskopischen 2DEG-Strukturen unter dem Einfluss inhomogener Streufelder von Nanomagneten

Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf Transportmessungen an Ferromagnet/2DEG-Hybridstrukturen bei denen das inhomogene Streufeld von Nanomagneten den Ladungstransport in der Halbleiterheterostruktur maßgeblich beeinflusst. Der wechselseitige Erkenntnisgewinn über die Transporteigenschaften der Nanostrukturen unter dem Einfluss der inhomogenen Felder einerseits und dem Ferromagnetismus in Teilchen mit Submikrometer-Abmessungen andererseits, stellt dabei ein gemeinsames Wesensmerkmal der Experimente dar. Die Optimierung der Elektronenstrahllithographie steht bei der Herstellung der Proben im Vordergrund. Es wurde ein Lithographie-Zusatzsystem für Rasterelektronenmikroskope entwickelt, das inzwischen den Schritt zum kommerziellen Produkt vollzogen hat. Dieses System zeichnet sich neben der einfachen Bedienbarkeit vor allem durch eine große Flexibilität aus, so dass gerade auch die für die Herstellung der Hybridstrukturen erforderliche Kombination unterschiedlicher Lithographieschritte erleichtert wird. Besonderes Augenmerk wird auf unterschiedliche Ätzverfahren für die laterale Einschränkung des 2DEGs gelegt. Erstmals wurden im Rahmen der vorliegenden Arbeit auch Sensoren eingesetzt, bei denen die Sensorgeometrie durch Ionenimplantation definiert wurde. Den zentralen Abschnitt der Arbeit stellen Experimente zur Mikro-Hall-Magnetometrie (MHM) dar. Dabei stehen zunächst Messungen zur Funktionsweise der Hallsonden im Vordergrund. Dem Strom, mit dem die Hallsensoren betrieben werden, kommt eine entscheidende Rolle für die erreichbare Qualität des Hallsignals zu. Oft ist ein möglichst hoher Sondenstrom von Vorteil. So können beispielsweise bei sehr kleinen Sonden störende ballistische Effekte abgeschwächt werden. Außerdem wird gezeigt, dass sich ein erhöhter Sondenstrom günstig auf das Signal/Rausch-Verhältnis auswirkt. Es werden jedoch auch die Grenzen für die einsetzbare Stromstärke aufgezeigt. Überschreitet die Amplitude des Wechselstroms, der den Sonden für die Lock-in-Messung aufgeprägt wird, einen bestimmten Wert, so ergeben sich Verzerrungen im Hallsignal. Eine Erwärmung des Elektronengases mit hohen Strömen lässt außerdem die Annahme des Elektronentransports als reines Fermikanten-Phänomen nicht länger Aufrecht erhalten. Dadurch ist die fundamentale Voraussetzung für die MHM, dass die Hallspannung den gemittelten Fluss durch eine aktive Fläche widerspiegelt, nicht mehr gewährleistet. Darüber hinaus wird gezeigt, dass der mit einer niedrigen Ladungsträgerdichte einhergehende große Hallkoeffizient keineswegs immer die beste Signalqualität zur Folge hat. Ein mit zunehmender Ladungsträgerdichte höherer maximal möglicher Sondenstrom führt oft trotz des geringeren Hallkoeffizienten zu einer insgesamt besseren Signalqualität. Die günstigsten Werte für die Ladungsträgerdichte und den Sondenstrom ergeben sich demzufolge durch eine Optimierung des Hallsignals durch Variation dieser beiden Parameter für die jeweilige Messung. Darüber hinaus konnte an verschiedener Stelle gezeigt werden, dass die Anordnung des Nanomagneten relativ zur aktiven Fläche und deren Abmessungen für die Signalgröße eine wichtige Rolle spielen. Bei Experimenten mit Nanosäulen führt das positionsabhängige Einkoppeln des Streufeldes sogar zu einer Umkehrung des Vorzeichens der Hallspannung. Bei in der Sensorebene liegenden Dipolen führt dagegen nur ein gezielter Offset entlang der Dipolachse zu einem Nettofluss durch Sonde. Eine eingehende Untersuchung von kleinen Nickelsäulen resultierte in einem Ummagnetisierungsmodell, das den Teilchen trotz einer rechteckigen Hysteresekurve deutliche Abweichungen vom eindomänigen Schalten zuweist. Demnach treten bei diesen Säulen zwei verschiedene Typen von Hysteresekurven auf, die aus einer unterschiedlichen relativen Orientierung des Drehsinns von Abschlusswirbeln in der Magnetisierung resultieren. Flachen Kreisscheiben weisen über einen weiten Bereich von Abmessungen eine Vortexkonfiguration der Magnetisierung auf. Bei der Magnetisierungsumkehr in der Scheibenebene ergibt sich demzufolge eine Hysteresekurve, die von der Nukleation des Vortex, dessen reversibler Verschiebung in der Scheibe und schließlich der Auflösung des Vortex geprägt ist. Die Phase unmittelbar vor der Nukleation ist durch verschiedenartige Bucklingmuster in der Magnetisierung gekennzeichnet. Als Folge davon treten im Verlauf der Hysteresekurven signifikante Abweichung auf, die durch den Vergleich von Mikro-Hall-Messungen mit Simulationen von Magnetisierungskonfigurationen systematisch untersucht werden. Außerdem werden in der Arbeit Untersuchung von Ringstrukturen zum Nachweis einer Berry-Phase an Transportelektronen im Festkörper vorgestellt. Zu diesem Zweck kommt ein modifiziertes Aharonov-Bohm-Experiment in 2DEG-Ringen zum Einsatz, bei dem das für die Berry-Phase entscheidende inhomogene Magnetfeld erstmals durch einen Ringmagneten, der direkt auf dem Halbleiterring platziert wird, hervorgerufen wird

Switching behavior of vortex structures in nanodisks

This work presents an experimental investigation of the switching behavior of single Co- and permalloy (Py) nanodisks employing magnetic force microscopy (MFM) and micro Hall magnetometry. We used both methods to study the magnetization reversal of individual disks with diameters between 200 nm and 2 ìm and thicknesses between 5 nm and 60 nm with a magnetic vortex phase. It is shown, that the helicity of the vortex (clockwise or counterclockwise) is independent of the direction of the normal component in the center, and vice versa. By an externally applied field it is possible to switch the direction of the central out of plane component selectivel

Vortex pinning at individual defects in magnetic nanodisks

We studied the interaction between magnetic vortices and artificial point defects by using micro-Hall magnetometry. Disk-shaped Permalloy particles with diameters between 300 and 800 nm and thicknesses from 20 to 60 nm, which contain a single lithographically defined defect, were examined. Magnetization reversal curves were measured for different in-plane directions of the applied field. The data indicate that the magnetic vortex structure can be pinned at the point defect

Vortex nucleation in sub-micrometer ferromagnetic disks

We investigate both experimentally and by means of micromagnetic calculations magnetic states preceding vortex formation in permalloy nanodisks. In experiment, we used micro-Hall sensors fabricated from GaAs/AlGaAs heterojunction material to measure stray field hysteresis loops of individual disks. Micromagnetic calculations involving different micromagnetic codes allowed us to interpret the experimental results. Both calculations and experiments suggest that vortex formation can be reached via different precursor states

Hall-magnetometry on ferromagnetic micro-rhombs

Micropatterned Hall-sensors are used to measure the magnetic switching of nanopatterned rhombic Ni-elements at temperatures below 1.2 K. The length of the short axis (�waist�) was systematically varied between 700 and 100 nm while the length of 2 ìm of the long axis was kept fixed. The thickness of the Ni-rhombs was 70 nm. Whereas the hysteresis loops of the broader rhombs show many small steps, which seem to be connected to domain wall movement and pinning, the narrowest two only reveal one single step during magnetization reversal. The process of magnetization reversal is additionally studied by Lorentz transmission electron microscopy. Placing Hall-sensors on both ends of acicular Ni elements allows one to investigate the switching process on both sides simultaneousl

Hall-Magnetometry on ferromagnetic dots and dot arrays

The switching of electroplated Nickel- pillars with diameters smaller 170 nm and heights greater 300 nm was investigated. The nanomagnets were placed on top of the sensor either individually or in groups of 5 up to 13 in different patterns. The individual pillars show two types of hysteresis loops: one type resembles a perfect rectangular hysteresis trace over a wide temperature range, the other type shows two steps in the Hall-voltage when magnetization direction is reversed. The switching field Hsw of a pillar with rectangular hysteresis trace was measured between 1.6 K and 225 K. Hsw decreases linearly with increasing temperature. Both results as well as the variation of switching fields of different �single domain� particles suggest, that oxide layers on the surface of the pillars strongly influence the magnetization reversal. Despite this complication small arrays of Ni pillars placed on the sensor display a well defined switching behavior. Different steps in the Hall-voltage reflect the switching of the individual magnet

Planar Hall sensors for micro-Hall magnetometry

In this work we present a new method to fabricate planar Hall sensors from GaAs–AlGaAs heterojunctions, which can be used to examine the local stray field at a specific section of a micron-sized magnet. Instead of mesa etching we implanted oxygen ions with an energy of 1.5 keV which deplete the two-dimensional electron gas underneath the exposed areas but leave the wafer flat. Planar double Hall cross devices were employed to investigate 30 nm thick electroplated Ni rings with outer and inner diameters ranging from 1.2 to 2 µm and from 0.3 to 1.6 µm, respectively. By comparing the signals from both Hall crosses of the sensor, we can distinguish between local stray field variations and changes of the global magnetization pattern. A hysteresis loop measured at a temperature of 110 K suggests that magnetization reversal occurs via a magnetic vortex structure

Ferromagnet-Semiconductor Hybrid Structures: Hall Devices and Tunnel Junctions

For spintronics, both, the properties of small ferromagnetic particles as well as the properties of ferromagnet-semiconductor hybrid structures are of importance. Below we describe how micro-Hall magnetometry provides information about the magnetisation switching of small ferromagnetic particles. In the second part we demonstrate spin dependent transport through thin GaAs membranes. The latter experiments point to the important role of spin-flip scattering in ferromagnet-semiconductor hybrid structures