In this view point we do not change cosmology after the hot fireball starts (hence agrees well with observation), but the changed start suggested and resulting later implications lead to an even better fit with current observations (voids, supercluster and galaxy formation; matter and no antimatter) than the standard model with big bang and inflation: In an eternal ocean of qubits, a cluster of qubits crystallizes to defined bits. The universe does not jump into existence (“big bang”) but rather you have an eternal ocean of qubits in free super-position of all their quantum states (of any dimension, force field and particle type) as permanent basis. The undefined, boiling vacuum is the real “outside”, once you leave our everyday universe. A set of n Qubits in the ocean are “liquid”, in very undefined state, they have all their m possibilities for quantum states in free superposition. However, under certain conditions the qubits interact, become defined, and freeze out, crystals form and give rise to a defined, real world with all possible time series and world lines. GR holds only within the crystal. In our universe all n**m quantum possibilities are nicely separated and crystallized out to defined bit states: A toy example with 6 qubits each having 2 states illustrates, this is completely sufficient to encode space using 3 bits for x,y and z, 1 bit for particle type and 2 bits for its state. Just by crystallization, space, particles and their properties emerge from the ocean of qubits, and following the arrow of entropy, time emerges, following an arrow of time and expansion from one corner of the toy universe to everywhere else. This perspective provides time as emergent feature considering entropy: crystallization of each world line leads to defined world lines over their whole existence, while entropy ensures direction of time and higher representation of high entropy states considering the whole crystal and all slices of world lines. The crystal perspective is also economic compared to the Everett-type multiverse, each qubit has its m quantum states and n qubits interacting forming a crystal and hence turning into defined bit states has only n**m states and not more states. There is no Everett-type world splitting with every decision but rather individual world trajectories reside in individual world layers of the crystal. Finally, bit-separated crystals come and go in the qubit ocean, selecting for the ability to lay seeds for new crystals. This self-organizing reproduction selects over generations also for life-friendliness. Mathematical treatment introduces quantum action theory as a framework for a general lattice field theory extending quantum chromo dynamics where scalar fields for color interaction and gravity have to be derived from the permeating qubit-interaction field. Vacuum energy should get appropriately low by the binding properties of the qubit crystal. Connections to loop quantum gravity, string theory and emergent gravity are discussed. Standard physics (quantum computing; crystallization, solid state physics) allow validation tests of this perspective and will extend current results.

Our universe may have started by Qubit decoherence: In quantum computers, qubits have all their states undefined during calculation and become defined as output (“decoherence”). We study the transition from an uncontrolled, chaotic quantum vacuum (“before”) to a clearly interacting “real world”. In such a cosmology, the Big Bang singularity is replaced by a condensation event of interacting strings. This triggers a crystallization process. This avoids inflation, not fitting current observations: increasing long-range interactions limit growth and crystal symmetries ensure the same laws of nature and basic symmetries over the whole crystal. Tiny mis-arrangements provide nuclei of superclusters and galaxies and crystal structure allows arrangement of dark (halo regions) and normal matter (galaxy nuclei) for galaxy formation. Crystals come and go: an evolutionary cosmology is explored: entropic forces from the quantum soup “outside” of the crystal try to dissolve it. This corresponds to dark energy and leads to a “big rip” in 70 Gigayears. Selection for best growth and condensation events over generations of crystals favors multiple self-organizing processes within the crystal including life or even conscious observers in our universe. Philosophically this theory shows harmony with nature and replaces absurd perspectives of current cosmology. Independent of cosmology, we suggest that a “real world” (so our everyday macroscopic world) happens only inside a crystal. “Outside” there is wild quantum foam and superposition of all possibilities. In our crystallized world the vacuum no longer boils but is cooled down by the crystallization event, space-time exists and general relativity holds. Vacuum energy becomes 10**20 smaller, exactly as observed in our everyday world. We live in a “solid” state, within a crystal, the n quanta which build our world have all their different m states nicely separated. There are only nm states available for this local “multiverse”. The arrow of entropy for each edge of the crystal forms one fate, one world-line or clear development of our world, while layers of the crystal are different system states. Mathematical leads from loop quantum gravity (LQG) point to required interactions and potentials. Interaction potentials for strings or loop quanta of any dimension allow a solid, decoherent state of quanta challenging to calculate. However, if we introduce here the heuristic that any type of physical interaction of strings corresponds just to a type of calculation, there is already since 1898 the Hurwitz theorem showing that then only 1D, 2D, 4D and 8D (octonions) allow complex or hypercomplex number calculations. No other hypercomplex numbers and hence dimensions or symmetries are possible to allow calculations without yielding divisions by zero. However, the richest solution allowed by the Hurwitz theorem, octonions, is actually the observed symmetry of our universe, E8. Standard physics such as condensation, crystallization and magnetization but also solid-state physics and quantum computing allow us to show an initial mathematical treatment of our new theory by LQG to describe the cosmological state transformations by equations, and, most importantly, point out routes to parametrization of free parameters looking at testable phenomena, experiments and formulas that describe processes of crystallization, protein folding, magnetization, solid-state physics and quantum computing. This is presented here for LQG, for string theory it would be more elegant but was too demanding to be shown here. Note: While my previous Opus server preprint “A new cosmology of a crystallization process (decoherence) from the surrounding quantum soup provides heuristics to unify general relativity and quantum physics by solid state physics” (https://doi.org/10.25972/OPUS-23076) deals with the same topics and basic formulas, this new version is improved: clearer in title, better introduction, more stringent in its mathematics and improved discussion of the implications including quantum computing, hints for parametrization and connections to LQG and other current cosmological efforts. This 5th of June 2021 version is again an OPUS preprint, but this will next be edited for Archives https://arxiv.org.

Der Ausbau der regenerativen Energiequellen führt vermehrt zu unvorhersehbaren Schwankungen der erzeugten Leistung, da Windkraft und Photovoltaik von natürlichen Bedingungen abhängen. Gerade Kurzzeitfluktuationen im Sekunden- bis Minutenbereich, die bei Solarzellen durch die Verschattung von vorüberziehenden Wolken zustande kommen, wird bislang wenig Beachtung geschenkt. Kurzzeitspeicher müssen eine hohe Zyklenstabilität aufweisen, um zur Glättung dieser Leistungsfluktuationen in Frage zu kommen. Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurden elektrochemische Doppelschichtkondensatoren für die Kopplung mit Siliziumsolarzellen und organischen Solarmodulen mit Hilfe von Simulationen und Messungen untersucht. Zusätzlich wurden grundlegende Fragestellungen zur Prozessierung und Alterung von Doppelschichtkondensatoren im Hinblick auf ein in der Literatur bereits diskutiertes System betrachtet, das beide Komponenten in einem Bauteil integriert - den sogenannten photocapacitor. Um die Druckbarkeit des gesamten elektrochemischen Doppelschichtkondensators zu ermöglichen, wurde der konventionell verwendete Flüssigelektrolyt durch einen Polymer-Gel-Elektrolyten auf Basis von Polyvinylalkohol und einer Säure ersetzt. Durch eine Verbesserung der Prozessierung konnte ein größerer Anteil der spezifischen Fläche der porösen Kohlenstoffelektroden vom Elektrolyten benetzt und somit zur Speicherung genutzt werden. Die Untersuchungen zeigen, dass mit Polymer-Gel-Elektrolyten ähnliche Kapazitäten erreicht werden wie mit Flüssigelektrolyten. Im Hinblick auf die Anwendung im gekoppelten System muss der elektrochemische Doppelschichtkondensator den gleichen Umweltbedingungen hinsichtlich Temperatur und Luftfeuchte standhalten wie die Solarzelle. Hierzu wurden umfangreiche Alterungstests durchgeführt und festgestellt, dass die Kapazität zwar bei Austrocknung des wasserhaltigen Polymer-Gel-Elektrolyten sinkt, bei einer Wiederbefeuchtung aber auch eine Regeneration des Speichers erfolgt. Zur passenden Auslegung des elektrochemischen Doppelschichtkondensators wurde eine detaillierte Analyse der Leistungsfluktuationen durchgeführt, die mit einem eigens entwickelten MPP-Messgerät an organischen Solarmodulen gemessen wurden. Anhand der Daten wurde analysiert, welche Energiemengen für welche Zeit im Kurzzeitspeicher zwischengespeichert werden müssen, um eine effiziente Glättung der ins Netz einzuspeisenden Leistung zu erreichen. Aus der Statistik der Fluktuationen wurde eine Kapazität berechnet, die als Richtwert in die Simulationen einging und dann mit anderen Kapazitäten verglichen wurde. Neben einem idealen MPP-Tracking für verschiedene Arten von Solarzellen und Beleuchtungsprofilen konnte die Simulation auch die Kopplung aus Solarzelle und elektrochemischem Doppelschichtkondensator mit zwei verschiedenen Betriebsstrategien nachbilden. Zum einen wurde ein fester Lastwiderstand genutzt, zum anderen eine Zielspannung für den Kurzzeitspeicher und somit auch die Solarzelle vorgegeben und der Lastwiderstand variabel so angepasst, dass die Zielspannung gehalten wird. Beide Betriebsmethoden haben einen Energieverlust gegenüber der MPP-getrackten Solarzelle zu verzeichnen, führen aber zu einer Glättung der Leistung des gekoppelten Systems. Die Simulation konnte für Siliziumsolarzellen mit einem Demonstratorversuch im Labor und für organische Solarzellen unter realen Bedingungen validiert werden. Insgesamt ergibt sich eine vielversprechende Glättung der Leistungsfluktuationen von Solarzellen durch den Einsatz von elektrochemischen Doppelschichtkondensatoren.

Die vorliegende Arbeit untersucht die Struktur und die Veränderung des akademischen Selbstkonzepts angehender Physiklehrkräfte. Als selbstbezogene Kognition wird es als eine Grundlage der professionellen Identität von Lehrkräften verstanden. Selbstkonzepte bilden sich aus der Kategorisierung selbstrelevanter Informationen, die eine Person in verschiedenen Kontexten sammelt, bewertet und interpretiert. Für angehende Lehrkräfte wird der professionelle Kontext durch die Struktur und die Inhalte des Lehramtsstudiums gebildet. Daraus folgt die erste zentrale Hypothese der Arbeit: Im akademischen Selbstkonzept angehender Physiklehrkräfte lassen sich drei Facetten empirisch trennen, die den inhaltlichen Domänen des Lehramtsstudiums entsprechen. Demnach strukturieren Studierende ihre Fähigkeitszuschreibungen in Bezug auf (1) die Fachwissenschaft Physik, (2) die Fachdidaktik Physik sowie (3) die Erziehungswissenschaften. Konkrete Erfahrungen bilden als Quelle selbstrelevanter Informationen die Basis für den Aufbau bzw. die Veränderung von domänenspezifischen Selbstkonzeptfacetten. Sie stabilisieren das Selbstkonzept, falls sie im Einklang mit dem bisherigen Bild der Person von sich selbst stehen bzw. können eine Veränderung des Selbstkonzepts initiieren, wenn sie sich nicht konsistent in dieses Bild einfügen lassen. Vor diesem Hintergrund folgt die zweite zentrale Hypothese der vorliegenden Arbeit: Während der Praxisphasen des Studiums verändert sich das akademische Selbstkonzept der Studierenden. Die Hypothesen werden mit Ansätzen der latenten Modellierung untersucht. Mittels konfirmatorischer Faktorenanalyse wird die empirische Trennbarkeit der drei angenommenen Facetten bestätigt. In einer querschnittlichen Betrachtung zeigt sich ein deutlicher Einfluss des Geschlechts der Studierenden auf den Zusammenhang zwischen ihrem fachdidaktischen Selbstkonzept und ihrer bisherigen Praxiserfahrung. Die längsschnittliche Analyse der Veränderung des Selbstkonzepts während einer zentralen fachdidaktischen Lehrveranstaltung mit ausgeprägten Praxisphasen (Lehr-Lern-Labor-Seminar) wird mit einem latenten Wachstumskurvenmodell untersucht. Das auf die Fachdidaktik Physik bezogene Selbstkonzept steigt während des Seminars leicht an, wenn die Studierenden zum Seminarbeginn bereits über Praxiserfahrung verfügten. Fehlt diese, so ist ein leichter Rückgang in der Ausprägung des Selbstkonzepts feststellbar, der für weibliche Studierende stärker ausfällt als für ihre männlichen Kommilitonen. Mit den Befunden zu Struktur und Veränderung des akademischen Selbstkonzepts angehender Physiklehrkräfte trägt die vorliegende Arbeit dazu bei, die überwiegend qualitativen Analysen von Identitätsprozessen bei Studierenden durch den Einsatz eines theoretisch fundierten und klar umrissenen Konstrukts um eine quantitative Perspektive zu ergänzen.

In this thesis, the synthesis and photophysics of a great variety of squaraine dyes are presented. This variety is based on four parent squaraines containing either indolenine or quinoline heterocycles. By a suitable choice of the donor and acceptor unit, the optical properties can already be adapted to the properties desired on the stage of the monomer. To promote a further derivatisation of these dyes, diverse functional groups are attached to the monomers using transition metal-catalysed C-C coupling reactions. However, this has to be preceded by the synthesis of bromine-functionalised derivatives as a direct halogenation of squaraine dyes is not feasible. Therefore, the halogen function is already introduced in precursor molecules giving rise to a molecular building block system containing bromine-, boronic ester-, and alkyne-functionalised monomer units, which pave the way to a plethora of squaraine oligomers and polymers. The indolenine homopolymer pSQB-1 as well as the corresponding small molecular weight oligomers dSQB-1 and tSQB were synthesized applying Ni-mediated Yamamoto and Pd-catalysed Suzuki coupling methodologies, respectively. The motivation for this project relied on the fundamental investigations by Völker et al. on pSQB-V. A progressive red-shift of the lowest energy absorption maximum from the dimer to the polymer was observed in CHCl3 compared to the monomer. With increasing number of monomer units, the exciton coupling decreases from the dimer to the polymer. In addition, the shape of the absorption band manifold shows a strong dependence on the solvent, which was also observed by Völker et al. J-type aggregate behavior is found in chlorinated solvents such as CHCl3 and DCM, whereas H-type aggregates are formed in acetone. Temperature-dependent absorption studies in PhCN reveals a reversible equilibrium of diverse polymer conformers, which manifests itself in a gradual change from H-aggregate behavior to a mixture with a more pronounced J-aggregate behavior upon raising the temperature. It isassumed that both characteristic aggregate bands correlate in borderline cases with two polymer structures which can be assigned to a zig-zag and a helical structure. As no experimental evidence for these structures could hitherto be provided by NMR, TD-DFT computations on oligomers (22-mers) can reproduce very closely the characteristic features of the spectra for the two conformational isomers. The subsequent chapters are motivated by the goal to influence the optical properties through a control of the superstructure and thus of the intramolecular aggregate formation. On the one hand, bulky groups are implemented in the 3-position of the indolenine scaffold to provoke steric repulsion and thus favoring J-aggregate behavior at the expense of helical arrangements. The resulting homopolymer pDiPhSQB bearing two phenyl groups per indolenine exhibits J-type aggregate behavior with red-shifted absorption maxima in all considered solvents which is explained to be caused by the formation of elongated zig-zag structures. Furthermore, single-crystal X-ray analysis of monomer DiPhSQB-2-Br2 reveals a torsion of the indolenine moieties as a consequence of steric congestion. The twist of the molecular geometry and the resulting loss of planarity leads to a serious deterioration of the fluorescence properties, however a significant bathochromic shift of ca. 1 200 cm-1 of the lowest absorption band was observed compared to parent SQB, which is even larger than the shift for dSQB-1 (ca. 1 000 cm-1). On the other hand, a partial stiffening of the polymer backbone is attempted to create a bias for elongated polymer chains. In this respect, the synthetic approach is to replace every second biarylaxis with the rigid transoid benzodipyrrolenine unit. Despite a rather low average degree of polymerization < 10, exclusively red-shifted absorption maxima are observed in all solvents used. In order to complete the picture of intramolecular aggregates through the selective design of H-aggregates, a squaraine-squaraine copolymer was synthesised containing the classic cisoid indolenine as well as the cisoid quinoline building block. Taking advantage of the highly structure directing self-assembly character of the quinoline moiety, the copolymer pSQBC indeed showes a broad, blue-shifted main absorption band in comparison with the monomer unit dSQBC. The shape of the absorption band manifold solely exhibited a minor solvent and temperature dependence indicating a persistent H-aggregate behaviour. Hence, as a proof of concept, it is shown that the optical properties of the polymers (H- and J-aggregate) and the corresponding superstructure can be inherently controlled by an adequate design of monomer precursors. The last chapter of this work deals, in contrast to all other chapters, with intermolecular aggregates. It is shown that the two star-shaped hexasquarainyl benzenes hSQA-1 and hSQA-2 exhibit a strong propensity for self-organisation. Concentration- and temperature-dependent studies reveal a great driving force for self-assembly in acetone. While the larger hSQA-2 instantaneously forms stable aggregates, the aggregates of hSQA-1 shows a pronounced kinetic stability. Taking advantage of the kinetic persistency of these aggregates, the corresponding kinetic activation parameters for aggregation and deaggregation can be assessed. The absorption spectra of both hexasquarainyl benzenes in the aggregated state reveal some striking differences. While hSQA-1 features an intensive, very narrow and blue-shifted absorption band, two red-shifted bands are observed for hSQA-2, which are closely located at the monomer absorption. The very small bandwidth of hSQA-1 are interpreted to be caused by exchange narrowing and pointed towards highly ordered supramolecular aggregates. The concentration-dependent data of the two hexasquarainyl benzenes can be fitted to the dimer-model with excellent correlation coefficients, yielding binding constants in excess of 10^6 M-1, respectively. Such high binding constants are very surprising, considering the unfavourable bulky 3,3-dimethyl groups of the indolenine units which should rather prevent aggregation. Joint theoretical and NMR spectroscopic methods were applied to unravel the supramolecular aggregate structure of hSQA-1, which is shown to consist of two stacked hexasquarainyl benzenes resembling the picture of two stacked bowls.