Prof. Benner
Nichtlinear Spindynamik

Forschungsschwerpunkte der AG Benner waren unter anderem Chaoskontrolle und chaotische Synchronisation, stochastische Resonanz, Envelope-Solitonen in magnetischen Filmen, Spinwelleninstabilitäten sowie Kristallisation in polykristallinen Ferriten.

Mit Hilfe gezielter schwacher Störungen kann das irreguläre Verhalten eines nichtlinearen Systems in reguläres Verhalten übergeführt werden. Dabei sind die bekannten numerischen Methoden zur Kontrolle instabiler Orbits auf Zeitskalen > 1ms beschränkt. Mit Hilfe schneller elektronischer Schaltkreise wurden analoge Kontrollalgorithmen implementiert werden, die auch für sehr schnelle Systeme, insbesondere im Bereich der Festkörperphysik, geeignet sind. Theoretische Analysen dieser Methoden liefern dabei Kriterien für ihren erfolgreichen Einsatz, z.B. zur Kontrolle elektronischer Modellsysteme oder Spinwellenchaos.

Schlagwörter:

  • Chaos
  • Kontrolle
  • Spinwelle
  • Diodenresonator

Die Kontrolle und Synchronisation chaotischer Systeme ist derzeit eine der aktuellsten anwendungsorientierten Fragestellungen der nichtlinearen Dynamik. Ziel dieses Projekts ist die systematische Analyse der Synchronisation chaotischer Systeme mit Hilfe zeitlich verzögerter Kopplungen. Wir wollen experimentelle Untersuchungen an nichtlinearen, elektronischen Oszillatoren durchführen, die durch numerische Simulationen und – sofern möglich – analytische Rechnungen ergänzt werden. Zum einen wollen wir die Bedingungen überprüfen, unter denen bei zeitverzögerter Kopplung eine vollständige Synchronisation möglich ist, um die zu Grunde liegenden Mechanismen besser zu verstehen. Dabei soll unter anderem die Robustheit der Synchronisation nicht vollständig identischer Systeme und der Übergang zu schwächeren Formen der Synchronisation untersucht werden. Zum anderen geht es um die für der Praxis entscheidende Fragestellung, welche Formen zeitverzögerter Kopplung eine optimale Synchronisation der chaotischen Systeme zur Folge haben. Dazu soll der Einfluss von Asymmetrien in der Kopplung, das Zusammenwirken von wechselseitiger Kopplung mit eigenen Rückkopplungssignalen der Systeme sowie der Übergang zu nichtlinearen Kopplungen einbezogen werden. Diese Untersuchungen sollen dazu beitragen, zeitverzögerte Rückkopplungskontrolle und Synchronisation in einem einheitlichen Rahmen zu beschreiben und so ein grundlegendes Verständnis der wirkenden Mechanismen zu gewinnen.

Mit Stochastischer Resonanz bezeichnet man einen kontraintuitiven Effekt, bei dem ein schwaches (häufig periodisches) Signal durch zusätzliches Rauschen besser detektiert werden kann. Dieser Effekt läßt sich quantitativ durch die Signalverstärkung sowie die Statistik der Verweilzeiten in den einzelnen Zuständen bi- oder multistabiler Systeme charakterisieren. In Experimenten an YIG-Proben (YIG: Yttrium-Eisen-Granat) sowie an verschiedenen elektronischen Systemen zeigen diese Verweilzeiten auch dann die charakteristischen Merkmale stochastischer Resonanz, wenn anstelle externer stochastischer Anregung nur die interne chaotische Systemdynamik verwendet wird. Dieses Phänomen der stochastischen Resonanz unter Verwendung von intermittenter Dynamik anstelle von Rauschen wird rauschfreie stochastische oder chaotische Resonanz genannt. Abhängig von dem Intermittenz-Typ zeigen die Systeme verschiedene Eigenschaften wie z. B. Multiresonanz (=>Krisen induzierte Intermittenz). Anhand von Modellsystemen (autonome Schwingkreise) wird die stochastische Multiresonanz und aperiodische stochastische Resonanz untersucht und die theoretischen Vorhersagen überprüft.

Schlagwörter:

  • stochastische Resonanz
  • Chaos
  • Spinwellen
  • Intermittenz
  • Hochfrequenzspektroskopie

Solitonen stellen eine spezielle Form raumzeitlicher Strukturbildung dar. Mit Hilfe von Streifenleiterantennen können in magnetischen Filmen durch Mikrowellenpulse von wenigen ns Dauer Spinwellen-Solitonen angeregt werden, deren Enveloppe – ähnlich wie optische Solitonen in Glasfasern – durch eine gedämpfte nichtlineare Schrödingergleichung beschrieben werden kann. Bei Variation von Antennengeometrie, Anregungsfrequenz sowie Stärke und Richtung des externen Magnetfelds können an derselben Probe unterschiedliche Modenkonfigurationen und Solitonentypen auftreten. An schmalen YIG-Filmen (1D-Problem) studieren wir detaillierte Eigenschaften 'heller' und 'dunkler' Solitonen sowie Multisolitonenbildung. An breiten YIG-Filmen (2D-Problem) sollen mit optischen Nachweismethoden laterale Selbstfokussierung und 2D-Instabilitäten untersucht werden. Darüberhinaus soll das Prinzip der parametrischen Verstärkung von Solitonen für technische Anwendungen in Schaltkreisen und Mikrowellenbauteilen umgesetzt werden.

Schlagwörter:

  • Soliton
  • nichtlineare Schrödingergleichung
  • magnetische Filme
  • Spinwellen

Mit ferro- und antiferromagnetischer Resonanz bei hoher Mikrowellenleistung lassen sich in austauschgekoppelten Isolatoren (YIG, MnCO3) Spinwelleninstabilitäten anregen, die eine Vielfalt chaotischer Phänomene und komplizierte Multistabilitäten zeigen. Ziel dieses Projekts ist die Untersuchung der Magnetisierungsdynamik ferromagnetischer Proben unter dem Einflußstarker treibender Mikrowellenfelder. An Yttrium-Eisengranat(YIG)-Proben wurden Multistabilitäten und Autooszillationen beobachtet, die über komplizierte Bifurkationsfolgen in Chaos übergehen. Neben Quasiperiodizität und Feigenbaum-artigen Szenarien wurden vielfältige Formen von Intermittenz beobachtet (z.B. alle Pomeau-Manneville-Typen, homokline Krisen, On-off-Intermittenz).

Mit Hilfe von Mikroantennen und photothermisch modulierter ferromagnetischer Resonanz wurde die Bildung räumlicher dynamischer Strukturen nachgewiesen. Modellbildung!!

Schlagwörter:

  • Spinwellen
  • Instabilitäten
  • Chaos
  • Intermittenz
  • Analyse chaotischer Dynamik
  • raumzeitliche Strukturbildung
  • Ferromagnetische Resonanz

Die Gefügestruktur polykristalliner Ferrite, im wesentlichen Korngrößen und Poren, führt im Vergleich zu Einkristallen zu zusätzlichen Dämpfungsmechanismen. Die räumlichen Störungen, d.h. Korngrößverteilung in Verbindung mit Kristallanisotropie und beliebiger Kornorientierung sowie Porengrößverteilung und Porenhäufigkeit, führen zu einer frequenz- bzw. wellenzahlabhängigen Dämpfung. Die Dämpfung der uniformen Mode (k=0) wird beschrieben mit der Ferromagnetischen Resonanzlinienbreite. Sie beschreibt die Durchgangsdämpfung eines mit dem Ferritmaterial realisierten Mikrowellenbauteils. Die Dämpfung von Spinwellen (k>0) ist entscheidend für das Auftreten von Spinwelleninstabilitäten (Suhl-Instabilitäten) und bestimmt somit u.a. die Leistungsverträglichkeit eines Bauteils. Für diese Schwellenphänomene ist die wellenzahlabhängige Dämpfung von besonderer Bedeutung.

Schlagwörter:

  • stochastische Resonanz
  • Chaos
  • Spinwellen
  • Intermittenz
  • Hochfrequenzspektroskopie

Die Untersuchung weicher Materie erfordert häufig die Kombination unterschiedlicher experimenteller Methoden.

In unserer Arbeitsgruppe werden insbesondere Experimente zur Strukturuntersuchung mit Streumethoden verwendet und weiterentwickelt. Hinzu kommen Experimente zur Polymercharakterisierung und zur Bestimmung spezifischer Größen im Zusammenhang mit den jeweiligen Forschungsprojekten.

Röntgenstreuung

Röntgenkleinwinkelstreuung wird an zwei Apparaturen betrieben.

Ein Pinholesystem ist mit einer sehr variablen Probenkammer und einem 2D Detektor.

Eine klassische Kratky Kompakt Kamera wird für Messungen an isotrop streuenden Systemen eingesetzt.

Röntgendiffraktometrie und –reflektometrie wird mit einem Bruker D8 Advance Diffraktometer realisiert. Insbesondere sind auch Messungen an flüssig-gas Grenzflächen möglich.

Publikationen

U. Hoeppe, H. Benner: Microstructure-related relaxation and spin-wave linewidth in polycrystalline ferromagnets, Phys. Rev. B 71, 144403 (2005)

doi:10.1103/PhysRevB.71.144403

U. Hoeppe, H. Benner: Influence of microstructure on relaxation processes and high power properties in polycrystalline YIG, phys. stat. sol. (a) 195 (2), 447-452 (2003)

doi:10.1002/pssa.200305937

U. Hoeppe: Smart measurement setup for spin-wave linewidth, IEEE Transactions on Magnetics 38 (5), 3126-28 (2002)

doi:10.1109/TMAG.2002.802490

J. Becker, F. Rödelsperger, Th. Weyrauch, H. Benner, W. Just, A. Cenys: Intermittency in spin-wave instabilities, Phys. Rev. E 59 (2), 1622-32 (1999)

doi:10.1103/PhysRevE.59.1622

H. Benner: Auto-oscillations and chaos for microwave signals in ferrite single crystals (inv.), J. Phys. IV France 7 (1997) Colloque C1, Suppl. J. de Physique III, C1-383-86

J. Phys. IV France 7 (1997) Colloque C1

Th. Walter, F. Rödelsperger, H. Benner: Delayed bifurcations at the first-order Suhl threshold, Z. Angew. Math. Phys. 47 (4), 515-26 (1996)

doi:10.1007/BF00914868

F. Rödelsperger, A. Cenys, H. Benner: On-off intermittency in spin-wave instabilities, Phys. Rev. Lett. 75 (13) 2594-97 (1995)

doi:10.1103/PhysRevLett.75.2594

H.-A. Krug von Nidda, G. Wiese, H. Benner: Critical modes at the first-order Suhl instability in YIG spheres, J. Magn. Magn. Mater. 140-144, 1997-98 (1995)

doi:10.1016/0304-8853(94)00715-2

G. Wiese, H. Benner: Multistability of parametrically excited spin waves, in: 'High frequency processes in magnetic materials', Chapter 8, G. Srinivasan, A.N. Slavin (eds.), Singapore, New Jersey: World Scientific Publ. (1995), pp. 284-317

ISBN 981-02-1816-8

H.-A. Krug von Nidda, G. Wiese, H. Benner: Fine structure and critical modes at the first-order Suhl instability in YIG spheres, Z. Phys. B 95, 55 (1994)

doi:10.1007/BF01316843

F. Rödelsperger, O. von Geisau, H. Benner, J. Pelzl: Imaging of magnetostatic modes in YIG spheres by photothermally modulated ferromagnetic resonance, Proc. XXVI Congress Ampere on Magnetic Resonance, Athen 1992, p. 116

F. Rödelsperger, T. Weyrauch, H. Benner: Different types of intermittency observed in transverse-pumped spin-wave instabilities, J. Magn. Magn. Mater. 104-107, 1075 (1992)

doi:10.1016/0304-8853(92)90496-B

G. Wiese, H.-A. Krug von Nidda, H. Benner: Temperature-induced multistability in spin-wave turbulence, J. Magn. Magn. Mater. 104-107, 1072 (1992)

doi:10.1016/0304-8853(92)90495-A

H. Benner, F. Rödelsperger, G. Wiese: Chaotic dynamics in spin-wave instabilities, in: Nonlinear dynamics in solids, H. Thomas (ed.), Berlin, Heidelberg: Springer 1992, p. 129-55

ISBN 354-05-3569-1

G. Wiese, H.-A. Krug von Nidda, H. Benner: Temperature-induced nonlinearity at parametrically excited spin-waves, Europhys. Lett. 15, 585 (1991)

H. Benner, F. Rödelsperger, G. Wiese: Multistability and chaos in transverse-pumped spin-wave instabilities (Invited Paper), Proc. XXV Congress Ampere on Magnetic Resonance and Related Phenomena, M. Mehring, J.U. von Schütz, H.C. Wolf (eds.), Stuttgart 1990, p.374

G. Wiese, H. Benner: Novel coupling mechanism in spin-wave instabilities, Proc. XXV Congress Ampere on Magnetic Resonance and Related Phenomena, M. Mehring, J.U. von Schütz, H.C. Wolf (eds.), Stuttgart 1990, p. 171

G. Wiese, H. Benner: Multistability and chaos by parametric excitation of longwave modes in a YIG sphere, Z. Phys. B 79, 119 (1990)

doi:10.1007/BF01387833

  • H. Benner, C.-U. Choe, K. Höhne, C. v. Loewenich, H. Shirahama and W. Just: Observing global properties of time-delayed feedback control in electronic circuit in: 'Handbook of Chaos Control (2nd Edition)', E.Schöll, H.G. Schuster (eds.), Wiley-VCH, Weinheim 2008, pp 559-573
    ISBN 978-3-527-40605-0
  • K. Höhne, H. Shirahama, C.-U. Choe, H. Benner, K. Pyragas, and W. Just: Global properties in an experimental realisation of time-delayed feedback control with unstable control loop, Phys. Rev. Lett. 98, 214102, (2007)
    doi: 10.1103/PhysRevLett.98.214102
  • C.-U. Choe, V. Flunkert, Ph. Hövel, H. Benner and E. Schöll: Conversion of stability in systems close to a Hopf bifurcation by time-delayed coupling Phys. Rev. E 75, 046206, (2007)
    doi: 10.1103/PhysRevLett.98.214102
  • Chol-Ung Choe, Klaus Höhne, Hartmut Benner and Yuri S. Kivshar: Chaos suppression in the parametrically driven Lorenz system, Phys. Rev. E 72, 036206 (2005)
    doi: 10.1103/PhysRevE.72.036206
  • K. Pyragas, V. Pyragas, H. Benner: Delayed feedback control of dynamical systems at a subcritical Hopf bifurcation, Phys. Rev. E 70, 056222 (2004)
    doi: 10.1103/PhysRevE.70.056222
  • C. v. Loewenich, H. Benner, W. Just: Experimental relevance of global properties of time-delayed feedback control, Phys. Rev. Lett. 93, 174101 (2004)
    doi: 10.1103/PhysRevLett.93.174101
  • W. Just, H. Benner, C. v. Loewenich: On global properties of time-delayed feedback control: weakly nonlinear analysis, Physica D 199, 33-44 (2004)
    doi: 10.1016/j.physd.2004.08.002
  • W. Just, H. Benner, E. Schöll: Control of chaos by time-delayed feedback: survey of theoretical and experimental aspects (inv.), Advances in Solid State Physics 43, Berlin, Heidelberg: Springer 2003, pp.589 – 604
    doi: 10.1007/b12017
  • W. Just, H. Benner, E. Reibold: Theoretical and experimental aspects of chaos control by time-delayed feedback (inv.), Chaos 13 (1), 259-266 (2003)
    doi:10.1063/1.1496955
  • H. Benner, W. Just: Control of chaos by time-delayed feedback in high-power ferromagnetic resonance experiments (inv.), J. Korean Phys. Soc. 40, 1046-50 (2002)
    abstract
  • H. Benner: Chaos control of spin-wave excitations in ferrites (inv.), in Proc. of ICF-8, 18-21 Sept 2000, Kyoto (Japan), pp.815-819 (2001)
  • W. Just, E. Reibold, H. Benner: Time-delayed feedback control: theory and application (inv.), in Proc. of the 5th Experimental Chaos Conf., June 1999, Orlando, Ed. M. Ding, W. Ditto, Al Osborne, L. Pecora, M. Spano, World Scientific Singapore 2001, pp.67-80
    ISBN 981-02-4561-0
  • W. Just, E. Reibold, K. Kacperski, P. Fronczak, J. Holyst, H. Benner: Influence of stable exponents on time-delayed feedback control, Phys. Rev. E 61, 5045-5056 (2000)
    doi:10.1103/PhysRevE.61.5045
  • E. Reibold: Kontrolle chaotischer Spindynamik mittels zeitverzögerter Rückkopplung, Ph.D. thesis (in German), Darmstadt University of Technology (2000)
  • W. Just, E. Reibold, H. Benner, K. Kacperski, P. Fronczak, J. Holyst: Limits of time-delayed feedback control, Phys. Lett. A 254 (3-4), 158-164 (1999)
    doi: 10.1016/S0375-9601(99)00113-9
  • W. Just, D. Reckwerth, E. Reibold, H. Benner: Influence of control loop latency on time-delayed feedback control, Phys. Rev. E 59 (3), 2826-30 (1999)
    doi: 10.1103/PhysRevE.59.2826
  • W. Just, D. Reckwerth, J. Möckel, E. Reibold, H. Benner: Delayed feedback control of periodic orbits in autonomous systems, Phys. Rev. Lett. 81, 562 (1998)
    doi: 10.1103/PhysRevLett.81.562
  • H. Benner, E. Reibold: Chaos control in spin systems, in: 'Handbook of Chaos Control', H.G. Schuster (ed.), Wiley-VCH, Weinheim 1999, pp. 563-589
    ISBN 352-72-9436-8
  • W. Just, T. Bernard, M. Ostheimer, E. Reibold, H. Benner: Mechanism of time-delayed feedback control, Phys. Rev. Lett. 78 (2), 203 (1997)
    doi: 10.1103/PhysRevLett.78.203
  • T. Bernard, R. Henn, W. Just, E. Reibold, F. Rödelsperger, H. Benner: Suppressing and controlling chaos in spin-wave instabilities, in: NATO ASI Series 'Nonlinear Microwave Signal Processing: Towards a New Range of Devices', R. Marcelli and S. Nikitov (eds.), Dordrecht: Kluwer 1996, pp. 381-408
  • R. Henn, F. Rödelsperger, H. Benner: Controlling unstable periodic orbits due to OGY in a spin-wave experiment, J. Magn. Magn. Mater. 140-144, 1935-36 (1995)
    doi: 10.1016/0304-8853(94)00715-2
  • F. Rödelsperger, Y.S. Kivshar, H. Benner: Route out of chaos by HF parametric perturbations in spin-wave instabilities, J. Magn. Magn. Mater. 140-144, 1953-54 (1995)
    doi: 10.1016/0304-8853(94)00720-9
  • F. Rödelsperger, Y.S. Kivshar, H. Benner: Reshaping-induced chaos suppression, Phys. Rev. E 51, 869-72 (1995)
    doi: 10.1103/PhysRevE.51.869
  • H. Benner, R. Henn, F. Rödelsperger, G. Wiese: Analyzing and controlling chaos in spin-wave instabilities (Invited paper), Izvestiya VUZ 'Applied Nonlinear Dynamics' (Saratov) Vol. 3(1) pp.32-51 (1995)
  • Yu.S. Kivshar, F. Rödelsperger, H. Benner: Suppression of chaos by nonresonant parametric perturbations, Phys. Rev. E 49, 319 (1994)
    doi: 10.1103/PhysRevE.49.319
  • R. Henn, F. Rödelsperger, H. Benner: Controlling unstable periodic orbits and hyperbolic fixed points in spinwave turbulence, Proc. XXVI Congress Ampere on Magnetic Resonance, Athen 1992, p. 371
  • T. Stemler, J. P. Werner, H. Benner, W. Just, „Stochastic Modelling of Intermittency“, Phil. Trans. R. Soc. A 368, 273-284 (2010)
    doi: 10.1098/rsta.2009.0196
  • Thomas Jüngling, Thomas Stemler, Wolfram Just and Hartmut Benner: Noise-free stochastic resonance at an interior crisis, Phys. Rev. E 77 036216 (2008)
    doi: 10.1103/PhysRevE.77.036216
  • J. P. Werner, T. Stemler, H. Benner: Crisis and stochastic resonance in Shinriki's circuit, Physica D 237 859 (2008)
    doi: 10.1016/j.physd.2007.11.009
  • T. Stemler, J. P. Werner, H. Benner, W. Just: Stochastic Modeling of Experimental Chaotic Time Series, Phys. Rev. Lett. 98 No. 4, 044102 (2007)
    doi: 10.1103/PhysRevLett.98.044102
  • T. Stemler, M. Scheuermann, H. Benner: Spatiotemporal stochastic resonance in an array of Schmitt triggers, Proc. SPIE 5471, 244-250 (2004)
    doi: 10.1117/12.547246
  • K. Urbanowicz, J.A. Holyst, T. Stemler, H. Benner: Noise reduction in chaotic time series by a local projection with nonlinear constraints, Acta Phys. Pol. B 35, 2175-2197 (2004)
    abstract
  • A. Krawiecki, T. Stemler: Stochastic resonance with spatiotemporal signal controlled by time delays, Phys. Rev. E 68, 061101 (2003)
    doi: 10.1103/PhysRevE.68.061101
  • A. Krawiecki, E. Reibold, H. Benner, A. Sukiennicki: Simulations of Noise-Free Stochastic Resonance in Spin-Wave Chaos, Acta Phys. Pol. A 97, 975-978 (2000)
    abstract
  • E. Reibold, W. Just, J. Becker, H. Benner: Stochastic resonance without noise, Proc. of the 4th Experimental Chaos Conf., Singapoore: World Scientific 1998, pp. 229-234
    ISBN 981-02-3743-X
  • E. Reibold, W. Just, J. Becker, H. Benner: Stochastic resonance in chaotic spin-wave dynamics, Phys. Rev. Lett. 78 No. 16, 3101 (1997)
    doi: 10.1103/PhysRevLett.78.3101

Kontakt

  Name Kontakt
Apl. Prof. Dr. Hartmut Benner
  Name Kontakt
Dipl.-Phys. Klaus Höhne
Dr. Thomas Jüngling
Dr. Clemens von Loewenich
Dr. Johannes Werner