Determination of effective mechanical properties of a double-layer beam by means of a nano-electromechanical transducer

We investigate the mechanical properties of a doubly-clamped, double-layer nanobeam embedded into an electromechanical system. The nanobeam consists of a highly pre-stressed silicon nitride and a superconducting niobium layer. By measuring the mechanical displacement spectral density both in the linear and the nonlinear Duffing regime, we determine the pre-stress and the effective Young's modulus of the nanobeam. An analytical double-layer model quantitatively corroborates the measured values. This suggests that this model can be used to design mechanical multilayer systems for electro- and optomechanical devices, including materials controllable by external parameters such as piezoelectric, magnetrostrictive, or in more general multiferroic materials.Comment: 4 pages, 4 figures, 1 supplemental materia

Verzeichnis der musikalischen Werke von Aloys Georg Fleischmann (1880–1964)

Das vorliegende Verzeichnis umfasst die musikalischen Werke des 1880 in Dachau geborenen und 1964 im irischen Cork verstorbenen Komponisten, Musikpädagogen und Kirchenmusikers Aloys Fleischmann d. Ä. und wurde parallel zur Studie "Aloys Georg Fleischmann (1880–1964). Musikalische Mikrogeschichte zwischen Deutschland und Irland" erstellt. Es werden 585 Einzelkompositionen aufgeführt

Optomechanical manipulation of particles and biological systems at the mesoscale

Kraftspektroskopie auf der Mikro- und Nanoskala unter annähernd physiologischen Bedingungen ist eine besondere Herausforderung, da unter diesen Umständen kleine Bewegungen von nanoskaligen Objekten von thermischen Fluktuationen dominiert werden. Mit optische Pinzetten ist es möglich Kräfte von wenigen Pikonewton mit hoher Auflösung in Raum und Zeit zu messen. Um eine noch höhere Sensitivität für kleine Kräfte zu erreichen, wurden in dieser Arbeit neue Konzepte entwickelt, die auf einer Kombination des Lock-in Prinzips und optischer Kraftdetektion beruhen. Im Vergleich zu chemischen oder mechanischen Manipulationstechniken sind optische Methoden sowohl vielseitig anwendbar als auch reversibel. Sie besitzen zudem einen hohen Grad an räumlicher und zeitlicher Auflösung. In dieser Arbeit wurde demonstriert, dass es möglich ist, ein biologisches Modellsystem mithilfe photoschaltbarer Phospholipide optisch zu kontrollieren. Es wurde gezeigt, dass die mechanischen Eigenschaften von Vesikelmembranen, die vollständig aus solchen Photolipiden aufgebaut sind, mittels optischer Anregung im UV-Bereich stark beeinflusst werden können. Beispielsweise ermöglichte das optische Schalten einer Vesikelmembran zwischen einem "harten" und einem "weichen" Zustand kontrollierte Formveränderungen des ganzen Vesikels. Darüber hinaus wurde eine Methode entwickelt, um mechanische Arbeit lokal zu speichern, die bei Bedarf mithilfe eines Lichtimpulses abrufbar ist. Im nächsten Schritt wurde der Einfluss der mechanischen Eigenschaften ganzer Zellen auf die umgebende Mikrofluidik untersucht. Hierzu wurden einzelne Zellen mit holographischen optischen Pinzetten periodisch geschüttelt. Ein in der Nähe der Zelle positioniertes, optisch gefangener Partikel diente zur gleichzeitigen Detektion des fluidischen Feldes. Die Trajektorie des Partikels wurde dazu im Fourierraum analysiert. Ein Vergleich der charakteristischen Fourierspektren einzelner Zellen ermöglichte so, Veränderungen mechanischer Parameter der Zelle oder des umgebenden Fluids zu analysieren. Um die Grenzen der Kraftauflösung mittels optofluidischer Detektion zu quantifizieren, wurde ein optisch gefangenes Goldnanopartikel als Kraftdetektor verwendet. Durch Beleuchtung mit Licht, dessen Wellenlänge in Resonanz mit dem Partikelplasmon gewählt wurde, konnte der Partikel um wenige Nanometer gegenüber seiner Gleichgewichtsposition ausgelenkt werden. Grund für die Auslenkung sind optische Streukräfte, die mittels einer spektralen Analyse der Brownschen Bewegung des Partikels mit einer Genauigkeit von weniger als 3 Femtonewton bestimmt werden konnten. Laut Fachliteratur ist dies die kleinste schaltbare Kraft, die in Fluid und bei Raumtemperatur gemessen wurde. In einer ersten Anwendung wurde diese sensitive Methode eingesetzt, um fluidische Kräfte im Umfeld einer lichtgetriebene Mikroschraube und eines optisch gefangenen Bakteriums zu bestimmen. Die Ergebnisse dieser Arbeit könnten dazu beitragen, intra- und interzelluläre Kraftmessungen mit einer Auflösung von wenigen Femtonewton und in Gegenwart thermischer Kräfte zu realisieren. Die gezielte Anwendung und hochaufgelöste Messung kleinster Kräfte bietet außerdem eine vielversprechende experimentelle Grundlage für optomechanische Manipulation auf der Nanoskala.When approaching physiological conditions, force spectroscopy on the nano- and microscale becomes challenging as small deflections of nanoscale objects are usually overwhelmed by thermal fluctuations. Optical tweezers have become an established tool to investigate forces down to a few piconewtons with high spatiotemporal precision. In this thesis, optical force detection is combined with a lock-in approach in order to reach even lower force regimes. The novel concepts presented are more sensitive compared to the state-of-the-art technologies. Compared to chemical or mechanical manipulation of matter, light is a versatile and reversible type of stimulation with a high level of spatiotemporal control. Here, optical switching of a biological model system was demonstrated using photoswitchable phospholipids. It was shown that UV light excitation of vesicle membranes entirely made of such photolipids can significantly change the mechanical properties of these bilayers. Photoswitching the vesicle membrane between a rigid and a soft state enabled controlled shape transitions of the entire vesicle. Furthermore, a strategy was devised for locally storing mechanical energy that could be released on demand by irradiation with visible light. Moving from the investigation of vesicles to entire cells, the impact of the mechanical properties of moving cells on the surrounding microfluidics was explored. With the use of holographic optical tweezers, individual cells were shaken periodically. At the same time, the microfluidic field was detected by an optically trapped detector particle in close vicinity to the cell. Its trajectory was subsequently analyzed in Fourier space. By comparing the characteristic Fourier spectra, changes in mechanical parameters of either the cell or its fluidic environment could be discerned. Finally, to quantify the limits of force resolution in optofluidic detection, an optically trapped gold nanoparticle was used as a sensitive force detector. Illumination of the particle with light resonant with its plasmon frequency resulted in a displacement of the particle of only a few nanometers from its equilibrium position. The reason are optical scattering forces that could be revealed to be less than 3 fN by a spectral analysis of the particle's Brownian motion. To date, this is the smallest reported switchable force that was measured in fluid at room temperature. In a first application, the method was used to quantify fluidic forces around a light-driven micro-screw and an optically trapped bacterium. The results of this thesis are valuable, e.g., for the realization of intra- and intercellular force measurements that require fN resolution in the presence of thermal forces. The possibility to apply and measure small forces provides a promising experimental platform for optomechanical manipulation on the nanoscale

Circuit Electromechanics with a Non-Metallized Nanobeam

We have realized a nano-electromechanical hybrid system consisting of a silicon nitride beam dielectrically coupled to a superconducting microwave resonator. We characterize the sample by making use of the Duffing nonlinearity of the strongly driven beam. In particular, we calibrate the amplitude spectrum of the mechanical motion and determine the electromechanical vacuum coupling. A high quality factor of 480,000 at a resonance frequency of 14 MHz is achieved at 0.5 K. The experimentally determined electromechanical vacuum coupling of 11.5 mHz is quantitatively compared with finite element based model calculations.Comment: Typos and one reference have been correcte

Outcome nach Operationen am Kiefergelenk

Bei Patienten mit einer weit fortgeschrittenen Erkrankung des Kiefergelenks (Wilkes Stadium V und VI) kann ein umfangreicher chirurgischer Eingriff am Kiefergelenk nötig werden, um Form und Funktion wiederherzustellen. In dieser Studie wurden 61 Patientenfälle untersucht, die im Zeitraum von 01.01.2005 bis 30.09.2020 an der Klinik und Poliklinik für Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie der Universität Regensburg am Kiefergelenk operiert wurden. Ziel war es, durch eine retrospektive Auswertung der vorhandenen Patientenaufzeichnungen und durch eine zusätzliche Patientenbefragung mittels Fragebogen einen Überblick darüber zu bekommen, welchen Effekt eine Operation am Kiefergelenk für die Patienten hat. Es sollte herausgefunden werden, ob es dadurch zu einer Schmerzreduktion, einer Verbesserung der Mundöffnung und der Okklusionssituation kommt. Außerdem wurde untersucht, ob eine bestimmte Rekonstruktionsart einen signifikanten Unterschied beim postoperativen Outcome hinsichtlich der genannten Punkte ausmacht. Insgesamt zeigten sich gute Ergebnisse bei der autogenen, wie auch bei der alloplastischen Rekonstruktion des Kiefergelenks, selbst bei Patienten, bei denen keine Rekonstruktion stattfand, konnten gute Ergebnisse im Vergleich zur präoperativen Ausgangssituation erzielt werden. Trotzdem waren Patienten, die einen alloplastischen Gelenksersatz erhielten insgesamt zufriedener und bewerteten ihre Lebensqualität postoperativ am besten. Hinsichtlich der Schmerzreduktion und der Verbesserung der Mundöffnung konnte unabhängig der Rekonstruktionsart eine positive Tendenz festgestellt werden. Die Rekonstruktion mittels einer Kiefergelenk-Totalendoprothese schnitt sowohl bei der postoperativen Schneidekantendistanz, der Schmerzwahrnehmung gemäß der Visuellen Analog Skala (VAS), wie auch bei der Okklusion am besten ab, wenn auch statistisch kein signifikanter Unterschied im Vergleich mit anderen Rekonstruktionsarten feststellbar war. Durch die geringe Fallzahl, der Heterogenität des Patientenguts und teilweise fehlender, wie auch lückenhafter Dokumentation weist diese Arbeit Schwächen auf. Deshalb ließen sich keine signifikanten Zusammenhänge der einzelnen Parameter festmachen. Weitere Studien mit größeren Fallzahlen und lückenloser Dokumentation sind zukünftig sinnvoll, um eine nachhaltige Aussage über die verschiedenen Rekonstruktionsarten und deren Langzeitstabilität nach einer Operation am Kiefergelenk treffen zu können

A universal platform for magnetostriction measurements in thin films

We present a universal nanomechanical sensing platform for the investigation of magnetostriction in thin films. It is based on a doubly-clamped silicon nitride nanobeam resonator covered with a thin magnetostrictive film. Changing the magnetization direction within the film plane by an applied magnetic field generates a magnetostrictive stress and thus changes the resonance frequency of the nanobeam. A measurement of the resulting resonance frequency shift, e.g. by optical interferometry, allows to quantitatively determine the magnetostriction constants of the thin film. We use this method to determine the magnetostriction constants of a 10nm thick polycrystalline cobalt film, showing very good agreement with literature values. The presented technique can be useful in particular for the precise measurement of magnetostriction in a variety of (conducting and insulating) thin films, which can be deposited by e.g. electron beam deposition, thermal evaporation or sputtering