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In nature, society and technology many disordered systems exist, that show emergent behaviour, where the interactions of numerous microscopic agents result in macroscopic, systemic properties, that may not be present on the microscopic scale. Examples include phase transitions in magnetism and percolation, for example in porous unordered media, biological, and social systems. Also technological systems that are explicitly designed to function without central control instances, like their prime example the Internet, or virtual networks, like the World Wide Web, which is defined by the hyperlinks from one web page to another, exhibit emergent properties. The study of the common network characteristics found in previously seemingly unrelated fields of science and the urge to explain their emergence, form a scientific field in its own right, the science of complex networks. In this field, methodologies from physics, leading to simplification and generalization by abstraction, help to shift the focus from the implementation's details on the microscopic level to the macroscopic, coarse grained system level. By describing the macroscopic properties that emerge from microscopic interactions, statistical physics, in particular stochastic and computational methods, has proven to be a valuable tool in the investigation of such systems. The mathematical framework for the description of networks is graph theory, in hindsight founded by Euler in 1736 and an active area of research since then. In recent years, applied graph theory flourished through the advent of large scale data sets, made accessible by the use of computers. A paradigm for microscopic interactions among entities that locally optimize their behaviour to increase their own benefit is game theory, the mathematical framework of decision finding. With first applications in economics e.g. Neumann (1944), game theory is an approved field of mathematics. However, game theoretic behaviour is also found in natural systems, e.g. populations of the bacterium Escherichia coli, as described by Kerr (2002). In the present work, a combination of graph theory and game theory is used to model the interactions of selfish agents that form networks. Following brief introductions to graph theory and game theory, the present work approaches the interplay of local self-organizing rules with network properties and topology from three perspectives. To investigate the dynamics of topology reshaping, coupling of the so called iterated prisoners' dilemma (IPD) to the network structure is proposed and studied in Chapter 4. In dependence of a free parameter in the payoff matrix, the reorganization dynamics result in various emergent network structures. The resulting topologies exhibit an increase in performance, measured by a variance of closeness, of a factor 1.2 to 1.9, depending in the chosen free parameter. Presented in Chapter 5, the second approach puts the focus on a static network structure and studies the cooperativity of the system, measured by the fixation probability. Heterogeneous strategies to distribute incentives for cooperation among the players are proposed. These strategies allow to enhance the cooperative behaviour, while requiring fewer total investments. Putting the emphasis on communication networks in Chapters 6 and 7, the third approach investigates the use of routing metrics to increase the performance of data packet transport networks. Algorithms for the iterative determination of such metrics are demonstrated and investigated. The most successful of these algorithms, the hybrid metric, is able to increase the throughput capacity of a network by a factor of 7. During the investigation of the iterative weight assignments a simple, static weight assignment, the so called logKiKj metric, is found. In contrast to the algorithmic metrics, it results in vanishing computational costs, yet it is able to increase the performance by a factor of 5.
After a brief introduction on QCD and effective models in the first chapter, I analyze the dependence of the QCD transition temperature on the quark (or pion) mass in the second chapter. I found that a linear sigma model, which links the transition to chiral symmetry restoration, predicts a much stronger dependence of T_c on m_pi than seen in present lattice data for m_pi >~ 0.4 GeV. On the other hand, an effective Lagrangian for the Polyakov loop requires only small explicit symmetry breaking to describe T_c(m_pi) in the above mass range. In the third and fourth chapter, I study the linear sigma model with O(N) symmetry at nonzero temperature in the framework of the Cornwall-Jackiw-Tomboulis formalism. Extending the set of two-particle irreducible diagrams by adding sunset diagrams to the usual Hartree-Fock (or Hartree) contributions, I derive a new approximation scheme which extends the standard Hartree-Fock (or Hartree) approximation by the inclusion of nonzero decay widths.
Die Dissertation ist in den Bereichen der semiklassischen Quantengravitation und der pseudokomplexen Allgemeinen Relativitätstheorie (pk-ART) anzusiedeln. Dabei wird unter semiklassischer Quantengravitation die Untersuchung quantenmechanischer Phänomene in einem durch eine klassische Gravitationstheorie gegebenen gravitativen Hintergrundfeld verstanden und bei der pk-ART handelt es sich um eine Alternative zu der aktuell anerkannten klassischen Gravitationstheorie, der Allgemeinen Relativitätstheorie (ART), die die reellen Raumzeitkoordinaten der ART pseudokomplex erweitert. Dies führt zusammen mit einer Veränderung des Variationsprinzips in führender Ordnung auf eine Korrektur der Einstein- Gleichung der ART mit einem zusätzlichen Quellterm (Energie-Impuls-Tensor), dessen exakte Form jedoch bisher nicht bekannt ist.
Die Beschreibung der Gravitation als Hintergrundfeld ergibt sich zwangsläufig daraus, dass auf Basis der ART bisher keine quantisierte Beschreibung für sie gefunden werden konnte. Jedoch wird erhofft, dass die Untersuchung semiklassischer Phänomene Hinweise auf die korrekte Theorie der Quantengravitation gibt. Zudem motiviert der Mangel einer quantisierten Gravitationstheorie die Verwendung alternativer Theorien, da sich dadurch die Frage stellt, ob die ART die korrekte Beschreibung klassischer Felder ist.
Das Ziel der vorliegenden Dissertation war die grundlegenden Unterschiede zwischen der ART und der pk-ART für gebundene sphärisch symmetrische Zustände der Klein-Gordon- und der Dirac-Gleichung zu identifizieren und ein qualitatives Modell der Vakuumfluktuationen in sphärisch symmetrischen Materieverteilungen zu bestimmen, wobei der Zusammenhang der pk-ART mit den Vakuumfluktuationen in der Annahme besteht, dass ein Zusammenhang zwischen ihnen und dem zusätzlichen Quellterm der pk-ART existiert. Dafür wurden die gebundenen Zustände der Klein-Gordon- und der Dirac-Gleichung für drei verschiedene Metrikmodelle (zwei ART-Modelle und ein pk-ART-Modell) mit konstanter Dichte systematisch numerisch berechnet, einige repräsentative Grafiken erstellt, anhand derer die grundlegenden Unterschiede der Ergebnisse der ART-Modelle und des pk-ART-Modells erörtert wurden, und die ART Ergebnisse der Dirac-Gleichung soweit wie möglich mit Ergebnissen der Literatur verglichen. Insbesondere wurde dabei festgestellt, dass die Energieeigenwerte in der pk-ART im Gegensatz zu denen in der ART in Abhängigkeit der Ausdehnung des Zentralobjekts ein Minimum aufweisen. Zudem wurden die Energieeigenwerte der Klein-Gordon-Gleichung teilweise sowohl über das Eigenwertproblem einer Matrix als auch über ein Anfangswertproblem berechnet und es wurde festgestellt, dass die Beschreibung als Eigenwertproblem deutlich uneffektiver ist, wenn dafür die Basis des dreidimensionalen harmonischen Oszillators genutzt wird. Für die Entwicklung des qualitativen Vakuumfluktuationsmodells wurden zwei Näherungen für den Erwartungswert des Energie-Impuls-Tensors in führender Ordnung für die Schwarzschildmetrik (ART) verglichen und die Verwendung eines qualitativen Modells durch die dabei auftretende Diskrepanz gerechtfertigt. Danach wurden die Vakuumfluktuationen für Metriken konstanter Materiedichte mit Hilfe einer der Näherungen in führender Ordnung berechnet und ein Modell gesucht, das den gleichen qualitativen Verlauf aufweist. Im Anschluss wurde dieses Modell noch für einfache Metriken mit variabler Materiedichte verifiziert.
Die Dissertation leistet mit der Analyse der gebundenen Zustände einen Beitrag in der Identifikation der Unterschiede zwischen der pk-ART und der ART und führt somit auf weitere mögliche Messgrößen, die der Unterscheidung der beiden Theorien dienen könnten. Weiterhin ermöglicht das abgeleitete Modell eine Verfeinerung der schon publizierten Ergebnisse über Neutronensterne und die für die Erstellung nötigen Vorarbeiten leisten einen Beitrag zur Identifikation des
pk-ART Quellterms.
Detailed knowledge of reaction mechanisms is key to understanding chemical, biological, and biophysical processes. For many reasons, it is desirable to comprehend how a reaction proceeds and what influences the reaction rate and its products.
In biophysics, reaction mechanisms provide insight into enzyme and protein function, the reason why they are so efficient, and what determines their reaction rates. They also reveal the relationship between the function of a protein and its structure and dynamics.
In chemistry, reaction mechanisms are able to explain side products, solvent effects, and the stereochemistry of a product. They are also the basis for potentially optimizing reactions with respect to yield, enhancing the stereoselectivity, or for modifying reactions in order to obtain other related products.
A key step to investigate reaction mechanisms is the identification and characterization of intermediates, which may be reactive, short-lived, and therefore only weakly populated. Nowadays, the structures of those can in most cases only be hypothesized based on products, side products, and isolable intermediates, because intermediates with a life time of less than a few microseconds are not accessible with the commonly used techniques for structure determination such as X-ray crystallography and nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy.
In this thesis, two-dimensional infrared (2D-IR) spectroscopy is shown to be a powerful complement to the existing techniques for structure determination in solution. 2D-IR spectroscopy uses a femtosecond laser setup to investigate interactions between vibrations - analogous to 2D-NMR, which investigates the interactions between spins. Its ultrafast time resolution makes 2D-IR spectroscopy particularly well suited for the two topics investigated in this thesis: Structure Determination of Reactive Intermediates and Conformational Dynamics of Proteins.
Structure Determination of Reactive Intermediates: The focus of this thesis is using polarization-dependent 2D-IR (P2D-IR) spectroscopy for structure determination of N-crotonyloxazolidinone (referred to as 1), a small organic compound with a chiral oxazolidinone, known as Evans auxiliary, and its reactive complexes with the Lewis acids SnCl4 and Mg(ClO4)2. Chiral oxazolidinones in combination with Lewis acids have frequently been used in stereoselective synthesis for over 30 years. Nevertheless, the detailed mechanisms are in many cases xvi ABSTRACT still mere hypotheses and have not yet been experimentally proven. By accurately measuring the angles between the transition dipole moments in the molecules using an optimized P2D-IR setup and comparing the results to DFT calculations, the conformation of 1 and the conformation and coordination of the main complexes with SnCl4 and Mg(ClO4)2 are unequivocally identified and analyzed in depth. Structural details, such as a slight twist in the solution structure of 1, are detected using P2D-IR spectroscopy; these cannot be inferred from NMR spectroscopy or DFT calculations. In addition to the main Lewis acid complexes, complexes in low concentration are detected and tentatively assigned to different conformations and complexation geometries. The knowledge of those structures is essential for rationalizing the observed stereoselectivities. Additionally, a method is introduced that enables structure determination of molecules in complex mixtures and even in the presence of molecules with similar spectral properties and in high concentration. This work sets the stage for future studies of other substrate-catalyst complexes and reaction intermediates for which the structure determination has not been possible to date.
Conformational Dynamics of Proteins: Exchange 2D-IR spectroscopy allows the investigation of fast dynamics without disturbing the equilibrium of the exchanging species. It is therefore well suited to investigate fast dynamics of proteins and to reveal the speed limit of those. The temperature dependence of the conformational dynamics between the myoglobin substates A1 and A3 in equilibrium is analyzed. The various substates of myoglobin can be detected with FTIR spectroscopy, if carbon monoxide is bound to the heme. From previous studies it is known that the exchange rates at room temperature are in the picosecond time range, well suited to be investigated by 2D-IR spectroscopy. In the temperature range between 0 °C and 40 °C only a weak temperature dependence of the exchange rate in the myoglobin mutant L29I is observed in the present study. The exchange rate approximately doubles from 15 ns-1 at 0 °C to 31 ns-1 at 40 °C. It turned out that the conformational dynamics correlates linearly with the solvent viscosity, which itself is temperature dependent. Comparing our results to measurements at cryogenic temperatures, the linear relation between exchange time constant for this process and the viscosity is shown for the temperature range between -100 °C and 40 °C (corresponding to a viscosity change of 14 orders of magnitude). Thus, it is proven that the dynamics of the conformational switching are mainly determined by solvent dynamics, i.e., the protein dynamics are slaved to the solvent dynamics. This is the first time slaving is observed for such fast processes (in the picosecond time range). The observation implies a long-range structural rearrangement between the myoglobin substates A1 and A3. In addition, the exchange for other mutants and wild type myoglobin is analyzed qualitatively and found to agree with the conclusions drawn from L29I myoglobin.
In the present paper we develop the essential theoretical tools for the treatment of the dynamics of High Energy Heavy Ion Collisions. We study the influence of the nuclear equation of state and discuss the new phenomena connected with phase transitions in nuclear matter (pion condensation). Furthermore we investigate the possibility of a transition from nuclear to quark matter in High Energy Heavy Ion Collisions. In this context we discuss exotic phenomena like strongly bound pionic states, limiting temperatures, and exotic nuclei.
The requirement of the versatile signal generator has always been evident in modern RF and communication systems. The most conventional technique, voltage control oscillator (VCO), has inferior phase noise and narrow bandwidth despite its operating frequency can be up to the sub-THz regime. Its phase noise influenced by a various parameter associated with the oscillator circuit e.g. transistor size \& noise, bias current, noise leaking from the bias supply etc. The bandwidth is limited because the input voltage \& the output frequency of the VCO is not strictly linear over the tuning range. The phase noise and SFDR of the VCO output are enhanced by using the phase-lock technique. The phase-locked loop (PLL) uses the feedback system locking the reference frequency set by the VCO. However, the settling time of the PLL is higher due to a feedback control loop. The higher settling time increases the frequency switching time between PLL outputs. IG-oscillators is suitable for multi-GHz range and wide bandwidth application. Signal generation can alos be achieved by the free-electron radiation, optical lasers, Gunn diodes as well and they can operate even at the THz domain. All these signal generators suffer from slow frequency switching, lack of digital controllability, and advance modulation capability even though their frequency of operation is THz regime. Alternatively, the AWG (arbitrary wave generator) can produce a wide range of frequencies with low phase noise, including digital controllability. One of the vital components of the AWG is the direct digital synthesiser (DDS). Generally, it is composed of a phase accumulator, digital to analogue converter, sine mapping circuits and low pass filter. It needs a reference clock that acts as samples of the DDS outputs. Its output frequency can be varied by applying an appropriate digital input code. But high-speed DDS has several limitations; such as low number of output frequency points, lack of phase control unit, high power consumptions etc. This work addresses such limitations.
The goal of this project is to develop a framework for a cell that takes in consideration its internal structure, using an agent-based approach. In this framework, a cell was simulated as many sub-particles interacting to each other. This sub-particles can, in principle, represent any internal structure from the cell (organelles, etc). In the model discussed here, two types of sub-particles were used: membrane sub-particles and cytosolic elements. A kinetic and dynamic Delaunay triangulation was used in order to define the neighborhood relations between the sub-particles. However, it was soon noted that the relations defined by the Delaunay triangulation were not suitable to define the interactions between membrane sub-particles. The cell membrane is a lipid bilayer, and does not present any long range interactions between their sub-particles. This means that the membrane particles should not be able to interact in a long range. Instead, their interactions should be confined to the two-dimensional surface supposedly formed by the membrane. A method to select, from the original three-dimensional triangulations, connections restricted to the two-dimensional surface formed by the cell membrane was then developed. The algorithm uses as starting point the three-dimensional Delaunay triangulation involving both internal and membrane sub-particles. From this triangulation, only the subset of connections between membrane sub-particles was considered. Since the cell is full of internal particles, the collection of the membrane particles' connections will resemble the surface to be obtained, even though it will still have many connections that do not belong to the restricted triangulation on the surface. This "thick surface" was called a quasi-surface. The following step was to refine the quasi-surface, cutting out some of the connections so that the ones left made a proper surface triangulation with the membrane points. For that, the quasi-surface was separated in clusters. Clusters are defined as areas on the quasi-surface that are not yet properly triangulated on a two-dimensional surface. Each of the clusters was then re-triangulated independently, using re-triangulation methods also developed during this work. The interactions between cytosolic elements was given by a Lennard-Jones potential, as well as the interactions between cytosolic elements and membrane particles. Between only membrane particles, the interactions were given by an elastic interaction. For each particle, the equation of motion was written. The algorithm chosen to solve the equations of motion was the Verlet algorithm. Since the cytosol can be approximated as a gel, it is reasonable to suppose that the sub-cellular particles are moving in an overdamped environment. Therefore, an overdamped approximation was used for all interactions. Additionally, an adaptive algorithm was used in order to define the size of the time step used in each interaction. After the method to re-triangulate the membrane points was implemented, the time needed to re-triangulate a single cluster was studied, followed by an analysis on how the time needed to re-triangulate each point in a cluster varied with the cluster size. The frequency of appearance for each cluster size was also compared, as this information is necessary to guarantee that the total time needed by to re-triangulate a cell is convergent. At last, the total time spent re-triangulating a surface was plotted, as well as a scaling for the total re-triangulation time with the variation. Even though there is still a lot to be done, the work presented here is an important step on the way to the main goal of this project: to create an agent-based framework that not only allows the simulation of any sub-cellular structure of interest but also provides meaningful interaction relations to particles belonging to the cell membrane.
This thesis deals with the simulation, optimization and realization of quasi-optical scanning systems for active THz cameras. Active THz cameras are sensitive in the THz regime of the electromagnetic spectrum and are suitable for the detection of metal objects such as weapons behind clothing or fabrics (maybe for security applications) or material investigation. An advantage of active THz-systems is the possibility to measure the phase of the THz-radiation and thus to reconstruct the surface topography of the objects under test. Due to the coherent illumination and the required system parameters (like image field size, working distance and lateral resolution) the optical systems (in the THz region often called quasi-optical systems) must be optimized. Specifically, the active illumination systems require highly optimized quasioptical systems to achieve a good image quality. Since currently no suitable multi-pixel detectors are available, the object has to be scanned in one or two dimensions in order to cover a full field of view. This further reinforces the occurring aberrations. The dissertation covers, alongside the underlying theory, the simulation, optimisation and realisation of three different active THz systems. The subdivision of the chapters is as follows: Chapter 1 deals with a motivation. Chapter 2 develops the underlying theory and it is demonstrated that the geometrical optics is an adequate and powerful description of the image field optimization. It also addresses the developed analytic on-axis and the off-axis image field optimization routine. Chapter 3, 4 and 5 are about the basis of various active THz cameras, each presented a major system aspect. Chapter 3 shows how active THz-cameras with very high system dynamics range can be realised. Within this chapter it could although be demonstrated how very high depth resolution can be achieved due to the coherent and active illumination and how high refresh rate can be implemented. Chapter 4 shows how absolute distance data of the objects under test can be obtained. Therefore it is possible to reconstruct the entire object topography up to a fraction of the wavelength. Chapter 5 shows how off-axis quasi-optical systems must be optimized. It is also shown how the illumination geometry of the active THz systems must be changed to allow for real-time frame rates. The developed widened multi-directional lighting approach also fixes the still existing problem of phase ambiguity of the single phase measurement. Within this chapter, the world’s first active real-time camera with very high frame rates around 10 Hz is presented. This could be only realized with the highly optimised quasioptical system and the multi-directional lighting approach. The paper concludes with a summary and an outlook for future work. Within the outlook some results regarding the simulation of synthetic aperture radar systems and metamaterials are shown.
The PANDA experiment at FAIR will study fundamental questions of strong interaction with high precision. Effcient particle identification for a wide momentum range and the full solid angle is required for successful reconstruction of the benchmark channels of the broad PANDA physics program. For this purpose a compact ring imaging Cherenkov detector is being developed for the barrel region of the PANDA detector. The concept and the baseline design of the PANDA Barrel DIRC were inspired by the BABAR DIRC and improved with important modifications, like fast photon timing, a compact expansion volume, and focusing optics. The required detector resolution was defined based on the PANDA PID specifications using the phase space distributions of the final state kaons produced in selected benchmark channels. To optimize the PANDA Barrel DIRC design in terms of performance and cost the baseline detector geometry and a number of design options were implemented in the simulation. The key options include the radiator dimensions, two types of expansion volume shapes, and a variety of focusing systems. The performance of the detector designs was quantified in terms of single photon Cherenkov angle resolution and photon yield. It was found that the number of radiators can be reduced by about 40% without loss in performance. A compound spherical lens without air gap was found to be a promising focusing system. An optimized Barrel DIRC design meeting the PID requirements includes three radiator bars per at section, the compound lens without air gap, a compact prism-shaped EV, and a total of 192 Microchannel-Plate PMTs as photosensors. The number of electronic channels can be halved without loss in performance by combining two neighbouring pixels. For such a detector design the total cost will be significantly reduced compared to the baseline version while still meeting or exceeding the PANDA PID performance goals.
Simulations of conformational changes and enzyme-substrate interactions in protein drug targets
(2022)
Finding new drugs is a difficult, time-consuming, and costly challenge, with only a small success rate along the drug discovery pipeline of far less than 10%. The high failure rate of drug discovery projects motivates the integration of computational tools throughout the whole drug discovery pipeline, from target identification to clinical trials. Target identification is the first step in the process. A biological target, e.g., a protein that plays a role in disease, is identified and its molecular mechanism in the disease is studied. Further, a potential binding site on the target, where therapeutic molecules can bind and modulate the target’s activity, needs to be characterized. Computational tools can contribute to improving the initial molecular target elucidation and assessment.
In this thesis, I use computational, physics-based approaches to characterize binding sites of drug targets and to decipher enzyme-substrate interactions, which play a role in disease mechanisms. Molecular dynamics (MD) simulations were applied to study the dynamics of molecules in solution at high temporal and spatial resolution. The method generates time-resolved trajectories of the particles in a system of interest by integrating Newton’s equations of motion numerically, starting from a set of coordinates and velocities. In MD simulations, all atoms of a chosen system, including solvent, are represented explicitly. Atomistic simulations are especially well-suited to study detailed interactions that depend on intermolecular interactions, such as hydration effects, hydrogen bonding, hydrophobic interactions, or subtle chemical differences. System properties are inferred from the trajectories, provided that the force fields, describing the interactions between the particles in the system, have a high accuracy. The bonded and non-bonded interactions are parametrized on experimental and quantum chemical data. The purpose of MD simulations can be to gain insight into the behavior of complex biological systems at molecular level, which often cannot be observed in experiments at the same resolution. With recent advances in computer hardware and simulation software, molecular systems of increasing size and simulation length can be investigated.
In the first part of the thesis, I investigated the conformational ensemble of various protein drug targets. Proteins are dynamic biomacromolecules that can have diverse and nearly isoenergetic conformational states. Ligand binding can shift the equilibrium of this conformational ensemble and can uncover binding sites, called cryptic sites. Cryptic sites only emerge upon small molecule binding and are often flat and featureless, and thus not easily recognized in crystal structures without bound ligands. If new binding sites including cryptic sites are detected, they can potentially be exploited for binding to ligands and enable a druggable target. Druggability is the ability of a protein to bind small, drug-like molecules, which is the basis for rational drug design. In this thesis, I used state-of-the-art physics-based, computational approaches to investigate the conformational ensembles of binding sites. In all studied systems, it is known from experiment that a specific group of ligands can induce conformational changes. The aim is to sample the conformational space made accessible upon ligand binding, yet without using the specific ligand structures or details about their interactions. We are interested in sampling the
pocket conformational states and identifying the respective pocket opening mechanism. For some cases, I additionally assessed whether the observed flexibility is a feature of the protein family, or specific to the protein under consideration.
The first studied system is factor VIIa (FVIIa). FVIIa is an essential part of the coagulation cascade and hence a potential drug target for thrombotic diseases. In addition, I investigated various other trypsin-like serine proteases from the same protein family. The binding pocket of trypsin-like serine proteases is called S1 pocket. An X-ray crystal structure solved by our collaborators reveals that a b-sheet structure in the S1 pocket is distorted by a bound ligand. I resolved the conformational change with MD simulations, starting from the unbound protein structure solvated in water and ions. I observed multiple spontaneous transition events. In 7 out of 22 simulations with the b-sheet as starting structure, the S1 pocket eventually rearranged into a distorted loop structure. These transitions occurred spontaneously and were mediated by water molecules probing the backbone hydrogen bonds. The conformational change studied here controls the onset of substrate binding and catalysis. Furthermore, I used metadynamics simulation, an enhanced-sampling method, to estimate the free energy barrier of this conformational change..
Die P-Typ-ATPasen finden sich in allen Domänen des Lebens und stellen die größte Gruppe aktiver Ionentransporter in Zellen dar. Es handelt sich bei den P-Typ-ATPasen um integrale Membranproteine, die eine große Anzahl verschiedenster Ionen aktiv über eine biologische Membran transportieren. Die für diesen Ionentransport notwendige Energie wird durch Bindung und Hydrolyse von Adenosintriphosphat (ATP) und durch Phosphorylierung des Enzyms gewonnen. Diese, im cytoplasmatischen Teil gewonnene Energie, muss für den Ionentransport von der Phosphorylierungsstelle zur räumlich entfernten transmembranen Ionenbindungsstelle übertragen werden, bei dem das Protein einem Reaktionszyklus mit zwei Hauptkonformationszuständen E1 und E2 unterliegt. Zwischen diesen beiden Zuständen finden große strukturelle Änderungen statt, durch die die Ionenaffintät und die Zugänglichkeit der Ionenbindungsstelle reguliert wird. Da dieser Mechanismus der Energiegewinnung für alle Ionenpumpen dieser Art ähnlich ist, wurde die Ca2+-ATPase und die Na+/K+-ATPase als Modellproteine für die Untersuchung molekularer Mechanismen in P-Typ-ATPasen ausgewählt. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit soll die Energietransduktion in P-Typ-ATPasen im Allgemeinen und der Protonengegentransport bzw. ein potentieller Protonentransportweg in der Ca2+-ATPase im Speziellen untersucht werden. Die beiden oben genannten Mechanismen sollen mittels computergestützter Methoden analysiert werden. Vor allem die Ca2+-ATPase ist prädestiniert für computergestützte Untersuchungen, da für diese sehr viele hochaufgelöste Röntgenstrukturdaten vorliegen, wenn auch bisher aufgrund der Größe und Komplexität des Systems nur sehr wenige theoretische Arbeiten durchgeführt wurden. Um den Energietransduktionsmechanismus in P-Typ-ATPasen zu untersuchen, wurde mittels Elektrostatik-Rechnungen der Einfluss eines elektrischen Feldes auf die verschiedenen Transmembranhelices untersucht. Dazu wurde ein Simulationssystem entwickelt, welches aus einem molekularen Kondensator besteht, der im Modell das Anlegen eines homogenen elektrischen Feldes über den Transmembranbereich simuliert. Da es sich bei dem Energietransduktionsmechanismus um einen dynamischen Prozess handelt, wurden die Elektrostatik-Rechnungen um Molekulardynamik-Simulationen erweitert. Mit diesen kann die konformelle Dynamik der P-Typ-ATPasen während der Energietransduktion in die Elektrostatik-Rechnungen einbezogen werden. Aus Spannungsklemmen-Fluorometrie-Experimenten, bei denen eine Spannung über eine Membran angelegt wird, kann geschlossen werden, dass die Helix M5 für die Energietransduktion verantwortlich ist. Mit den in dieser Arbeit durchgeführten Elektrostatik-Rechnungen konnte für verschiedene Enzymzustände der Ca2+-ATPase und für die Na+/K+-ATPase gezeigt werden, dass die Helix M5 die größten Konformeränderungen aufgrund des elektrischen Feldes aufweist. Durch die Erweiterung der Elektrostatik-Rechnungen um die Methode der Molekulardynamik-Simulation konnte zusätzlich die elektrische Feldstärke reduziert werden. Auch dabei zeigte sich, dass auf der Helix M5 die meisten Rotameränderungen durch das elektrische Feld induziert werden. Die aus Experimenten vermutete Rolle der Helix M5 als wichtiges Energietransduktionselement ließ sich mit diesen Simulationsrechnungen bestätigen. Um einen möglichen Protonenweg durch den Transmembranbereich der Ca2+-ATPase aufzuklären, wurden explizite Wassermoleküle in sechs verschiedene Enzymzustände der Ca2+-ATPase eingefügt. Aus Experimenten ist bekannt, dass in der Ca2+-ATPase ein Protonengegentransport stattfindet. Deshalb wurden für verschiedene Enzymzustände der Ca2+-ATPase mittels Elektrostatik-Rechnungen die Protonierungen der eingefügten Wassermoleküle sowie der titrierbaren Aminosäuren bestimmt. Aus den Ergebnissen dieser Rechnungen kann geschlossen werden, dass es sich bei dem Protonentransfer nicht um einen linearen Transport der Protonen handelt. Die Untersuchungen zeigen einen mehrstufigen Prozess, an dem Protonen in verschiedenen Transmembranbereichen der Ca2+-ATPase beteiligt sind. Anhand der berechneten Protonierungszustände der eingefügten Wassermoleküle und der pK-Werte der Aminosäuren im Transmembranbereich konnte weiterhin ein möglicher Protonenweg identifiziert werden.
Es wurde eine neue Routine zur Berechnung der Raumladungskräfte basierend auf einer schnellen Fourier-Transformation entwickelt und in das Teilchensimulationsprogramm LORASR integriert. Dadurch werden einzelne oder bis zu mehreren 100 Simulationen im Batch-Modus mit je 1 Million Makroteilchen und akzeptablen Rechenzeiten ermöglicht. Die neue Raumladungsroutine wurde im Rahmen der Europäischen „High Intensity Pulsed Proton Injectors” (HIPPI) Kollaboration erfolgreich validiert. Dabei wurden verschiedene statische Vergleichstests der Poisson-Solver und schließlich Vergleichsrechnungen entlang des Alvarez-Beschleunigerabschnittes des GSI UNILAC durchgeführt. Darüber hinaus wurden Werkzeuge zum Aufprägen und zur Analyse von Maschinenfehlern entwickelt. Diese wurden erstmals für Fehlertoleranzstudien an der IH-Kavität des Heidelberger Therapiebeschleunigers, am Protonen-Linearbeschleuniger für das FAIR Projekt in Darmstadt sowie am Vorschlag eines supraleitenden CH-Beschleunigers für die “International Fusion Materials Irradiation Facility” (IFMIF) eingesetzt.
Single-electron transport in focused electron beam induced deposition (FEBID)-based nanostructures
(2022)
Mit steigender Komplexität von integrierten Schaltungen im Nanometer-Maÿstab werden immer innovativere Techniken nötig, um diese zu fabrizieren. Dies erfordert einen starken Fokus auf die Kontrolle der Fabrikation akkurater Strukturen und der Materialreinheit, und dies im Zusammenhang mit einer skalierbaren Produktion. In diesem Kontext hat Elektronenstrahlinduzierte Abscheidung (engl. Focused Electron Beam Induced Deposition, FEBID) eine wachsende Aufmerksamkeit im Bereich der Nanostrukturierung gewonnen. Der FEBID-Prozess basiert auf der lokalen Abscheidung von Material auf einem Substrat. Das Deponat entsteht durch die Spaltung von Präkursor-Molekülen durch die Interaktion mit einem Elektronenstrahl entsteht. Als Beispiel sei hier der Präkursor Me3PtCpMe angeführt. Das auf dem Substrat abgelagerte Material besteht aus wenigen Nanometer großen Kristalliten aus Platin, welche in einer Matrix aus amorphem Kohlenstoff eingebettet sind. Die Pt-C FEBID Ablagerungen sind nano-granulare Metalle, deren elektrische Transporteigenschaften die Folge des Zusammenspiels von diffusivem Transport von Ladungen innerhalb der Pt-Kristalliten und temperaturabhängigen Tunneleffekten sind. Das größte Interesse an diesen Materialien liegt an der Möglichkeit, Strukturen für technische Anwendungen im Nanometerbereich herstellen zu können.
In dieser Arbeit wurden Anwendungen, die auf Einzelelektroneneffekten beruhen, ausgewählt, um die FEBID basierte Probenpräparation zu testen. Um Einzelelektronentransport zu ermöglichen, der auf dem Tunneln einzelner Elektronen basiert, müssen alle Parameter wie Grösse und Abstände der Strukturen genauestens definiert sein. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Einzelelektronenbausteine entwickelt, die auf zwei unterscheidlichen Anwendungen des Pt-C FEBID-Prozesses basieren. Die beiden Anwendungen sind: 1) Arrays von Gold-Nanopartikeln (Au-NP), welche mittels Pt-Strukturen kontaktiert wurden, die mit FEBID präpariert und anschlieÿend aufgereinigt wurden; 2) Einzelelektronentransistoren (engl. Single-Electron Transistors, SET), deren Inseln aus elektronennachbestrahlten Pt-C FEBID Deponate bestehen. Die elektrischen Eigenschaften der präparierten Nanostrukturen wurden charakterisiert und mit der erzielten Auflösung und Materialqualität in Relation gesetzt. Es wurden Optimierungen an der Präparationsmethode durchgeführt, welche direkt die Leitfähigkeit des Pt-C FEBID-Materials erhöhen. Dies kann durch die Änderung der
Karbonmatrix oder die Erhöhung des metallischen Gehalts der Struktur geschehen. In dieser Arbeit wurde eine katalytische Aufreinigungsmethode von Pt-C FEBID Strukturen für zwei Anwendungen genutzt: zum Einen wurden die aufgereinigten Strukturen als Keimschichten für die nachfolgende ortsgenaue Atomlagenabscheidung (engl. Area-Selective Atomic Layer
Deposition, AS-ALD) von Pt-Dünnschichten genutzt. Zum Anderen wurde diese Technik dafür genutzt, Metallbrücken zwischen den bereits durch Auftropfen zufällig auf dem Substrat aufgebrachten NP-Gruppen und den zuvor aufgebrachten UV-Lithographie (UVL) präparierten Cr-Au Kontakten zu erzeugen. Eine NP-Gruppe ist ein periodisches, granulares Array von Partikeln, welche uniform in Größe und Form sind und einen unterschiedlichen Grad von Ordnung inne haben. Durch die Art des Aufbringens kann die Anordnung der Nanopartikel durch Lösen und Erzeugen der Verbindungen beeinflusst werden. Diese Systeme zeigen ein Verhalten wie Tunnelkontakte mit Coulombblockade und eine Verteilung der Schwellspannung. Die Ergebnisse der elektrischen Messungen bestätigen den Einzelelektronentransport durch die Nanopartikel in einem typischen Elektronentransportregime mit schwacher Kopplung. Trotz dieser Ergebnisse war die Anwendung dieser Technik für die SET Nanostrukturierung nicht erfolgreich. Die Ursache
konnte zurückgeführt werden auf das Vorhandensein von Pt-Partikeln in der Nähe der Kontakte zu den Au-NP-Arrays. Die Pt-Partikel sind durch den FEBID Fertigungsprozess in
der Nähe der vorgegebenen Struktur entstanden. Aus diesem Grund wurde das FEBID Co-Deponat in der folgenden SET-Nanofabrikation entfernt.
Ein SET basiert auf einer Nano-Insel, welche durch Tunnelkontakte mit Source- und Drain-Elektroden verbunden ist. Darüber hinaus besteht eine kapazitive Verbindung zu einer
oder mehreren Gate-Elektrode(n). Innerhalb der Insel gibt es eine feste Anzahl von Elektronen.
In dieser Arbeit wurden die Source-, Drain- und Gate-Kontakte durch Ätzen mittels eines fokussierten Gallium-Strahls erzeugt, was Abstände von 50nm ermöglichte, wohingegen die SET Insel mit Pt-C FEBID-Material erzeugt wurde. Die Leitfähigkeit der Insel aus Pt-C wurde mit anschließender Elektronenbestrahlung erhöht. Als letzter Präparationsmethode wurde ein neueartiges Argon-Ätzverfahren genutzt, um die durch FEBID erzeugten Co-Ablagerungen in der direkten Umgebung der Insel zu entfernen. Durch die Elektronennachbestrhalung kann die Kopplung der einzelnen metallischen Kristalliten angepasst werden. Die Auswirkungen unterschiedlicher starker Tunnelkontakte auf die elektronischen Eigenschaften der Insel und die daraus resultierende Performanz des SETs wurden in dieser Arbeit beobachtet ...
Defossiliation of the energy system is crucial in the face of the impending risks of climate change. Electricity generation by burning fossil fuels is being displaced by renewable energy sources like hydro, wind and solar, driven by support schemes and falling costs from technological advances as well as manufacturing scale effects. The unavoidable shift from flexibly dispatchable generation to weather-dependent spatio-temporally varying generators transforms the generation and distribution of electricity into highly interdependent complex systems in multiple dimensions and disciplines:
In time, different scales, stretching from intra-day, diurnal, synoptic to seasonal oscillations of the weather interact with years and decades of planning and construction of capacity. In space, long-range correlations and local variations of weather systems as well as local bottlenecks in transmission networks affect solutions. The investment decisions about technological mix and spatial distribution of capacity follow economic principles, within restrictions which adapt in social feedback loops to public opinion and lobbyist influences.
In this work, a family of self-consistent models is developed which map physical steady-state operation, capacity investments and exogeneous restrictions of a European electricity system, in higher simultaneous spatial and temporal detail as well as scope than has previously been computationally tractable. Increasing the spatial detail of the renewable resources and co-optimizing the expansion of only a few transmission lines, reveals solutions to serve the European electricity demand at about today’s electricity cost with only 5% of its carbon-dioxide emissions; and importantly their electricity mix differs from the findings at low spatial resolution.
As important intermediate steps,
• new algorithms for the convex optimization of electricity system infrastructure are derived from graph-theoretic decompositions of network flows. Only these enable the investigation of model detail beyond previous computational limitations.
• a comprehensive European electricity network model down to individual substations at the transmission voltage levels is built by combining and completing data from freely available sources.
• a network reduction technique is developed to approximate the detailed model at a sequence of spatial resolutions to investigate the role of spatial scale, and identify a level of spatial resolution which captures all relevant detail, but is still computationally tractable.
• a method to trace the flow of power through the network, which is related to a vector diffusion process on a directed flow graph embedded in a network, is used to analyse the resulting technology mix and its interactions with the power network
The open-source nature of the model and restriction to freely available data encourages an accessible and transparent discussion about the future European electricity system, primarily based on renewable wind and solar resources.
Stability, unfolding and refolding of the outer membrane protein porin from Paracoccus denitrificans was investigated using genetic and spectroscopic methods. Structural and functional activity studies on wild type and mutant porins: The site-directed mutants were constructed based on conserved residues and evidences on the role of certain amino acids from previous studies with OmpF. Secondary structure analysis of wild type and mutants E81Q, W74C, E81Q/D148N, E81Q/D148N/W74C by FTIR and CD spectroscopy are in line with the fact that porins are predominantly ß-sheet structure. The functional activity studies by black lipid bilayer techniques showed that the wild type and mutants W74C, E81Q/D148N, E81Q/D148N/W74C have a conductance of 3.25 nS. For mutant E81Q conductance of 1.25nS was more predominant over 3.25 nS. The activity of the mutants was observed to be far less than the wild type. This indicates that structural similarities does not implies similar functional activity. Thermal stability analysis of porin in detergent micelles and reconstituted into liposomes: Thermal stability analysis of wild type and mutants in detergent micelles showed changes in secondary and quaternary structure. It was found that wild type porin unfolds into aggregated structure with a high transition temperature of 86.2 °C. For mutants E81Q, W74C, E81Q/D148N the transition temperature was found to be 84.2 °C, 80.3 °C and 80.2 °C respectively. Functional activity assays at high temperatures revealed that the protein tends to loose its activity on heating up to 50 °C. This shows that structural stability does not imply functionality in the case of porins. Thermal stability analysis of porin reconstituted into liposomes showed that there was no change in the secondary and quaternary structure of the protein up to 100 °C, revealing that the protein becomes more thermostable when it is reconstituted into liposomes. Refolding of aggregated porin: This study shows that disaggregation of ß-sheet membrane protein porin is possible by changing its chemical and thermodynamic parameters. An increase of the solution pH to 12 or above results in opening up of the aggregated protein into unordered structure, as observed by FTIR and CD spectroscopy. This unordered structure could be refolded into native-like structure forming trimers. The secondary structure of the refolded protein deviated slightly from the native one. The thermal stability analysis of the native-like refolded proteins showed that the unfolding pattern is entirely different when compared to the native porins. pH dependent unfolding of porin: Thermal stability of porin at different pH values showed that the protein is stable in a pH range of 1-11. At pH 12 and above the protein unfolds into unordered structure instead of aggregating. The high pH unfolding of porin is a reversible process. The secondary structure of the refolded protein varied slightly from the native-one. Whereas thermal stability was entirely different. This shows that even though the unfolding of porin at high pH is reversible, it results in changes in local interaction between the amino acids resulting in a difference in stability. Unfolding in presence of urea and guanidinium hydrochloride (GuHCl): Denaturation of porin in the presence of chemical denaturants like urea and GuHCl showed that porin unfold into unordered structure. The unfolding is a reversible process. Unfolded protein was refolded into detergent micelles and liposomes. Refolding into detergent micelles was faster compared to refolding into liposomes, as seen by kinetic gel shift assays. The refolding into liposomes showed the presence of intermediates similar to those reported for OmpF. This study shows the difference in thermal stability of the outer membrane protein porin from Paracoccus denitrificans in detergent micelles and native-like liposomes. It suggests various unfolding pathways, which can be further investigated for unfolding and refolding kinetics. This report also suggests that it is possible to refold a heat-aggregated protein.
In this thesis, we present a detailed consideration of both qualitative and quantitative properties of static spherically symmetric solutions of the Einstein equations with self-interacting scalar fields. Our focus is on solutions with naked singularities. We study the qualitative properties of the solutions of the Einstein equations with real static self-interacting $N$ scalar fields, making some assumptions on self-interaction. We provide a rigorous proof that the corresponding solutions will be regular up to $r=0$. Furthermore, we find the rigorous form of asymptotic solutions near the singularity and at spatial infinity. We construct some examples of spherical-like naked singularities at $r=r_s\neq0$ in curvature coordinates.
We analyze the stability of the previously considered solutions against odd-parity gravitational perturbations and also examine the fundamental quasi-normal modes spectra. For the general class of the self-interaction potential, we demonstrate well-posedness of the initial problem and stability for positively defined potentials. As an example, we numerically study the case of the scalar field with power-law self-interaction potential and find the fundamental quasi-normal modes frequencies. We demonstrate that they differ from the standard Schwarzschild black hole case.
We study in detail the motion of particles in the vicinity of previously considered solutions. Mainly, we are interested in considering properties of the distribution of stable circular orbits around the corresponding configurations and images of the accretion disk for a distant observer. For all cases, we find possible types of stable circular orbit distributions and domains of parameters where they are realized.
We also demonstrate that the presence of self-interaction can lead to a new type of circular orbit distributions, which is absent in the linear massless scalar field case. We build Keplerian disk images in the plane of a distant observer and demonstrate the possibility to mimic the shadows of black holes.
In this thesis we investigate the thermodynamic and dynamic properties of the D-dimensional quantum Heisenberg ferromagnet within the spin functional renormalization group (FRG); a
formalism describing the evolution of the system’s observables as the magnetic exchange inter-action is artificially deformed. Following an introduction providing a self contained summary of the conceptual and mathematical background, we present the spin FRG as developed by Krieg and Kopietz in references [1] and [2] in chapter two. Thereto, the generating functional of the imaginary time-spin correlation functions and its exact flow equation describing the deformation process of the exchange interaction are introduced. In addition, it is highlighted that - in contrast to conventional field-theoretic FRG approaches - the related Legendre trans-formed functional cannot be defined if the exchange interaction is initially switched off. Next, we show that this limitation can be circumvented within an alternativ hybrid approach, which treats transverse and longitudinal spin fluctuations differently. The relevant functionals are introduced and the relations of the corresponding functional Taylor coefficients with the spin correlation functions are discussed. Lastly, the associated flow equations are derived and the possibility of explicit or spontaneous symmetry breaking is taken into account.
In chapter three, we benchmark the hybrid formalism against a calculation of the thermo-dynamic properties of the one and two-dimensional Heisenberg model at low temperatures T and finite magnetic field H. For this purpose, we devise an anisotropic deformation scheme of the exchange interaction which allows for a controlled truncation of the infinite hierarchy of FRG flow equations. Thereby, contact with mean-field and spin-wave theory is made and the violation of the Mermin-Wagner theorem is discussed. To fulfill the latter, the truncation scheme is then complemented by a Ward identity relating the transverse self-energy and the magnetization. The resulting magnetization M (H, T ) and isothermal susceptibility χ(H, T ) are in quantitative agreement with the literature and the established behavior of the transverse correlation length and the zero-field susceptibility close to the critical point is qualitatively reproduced in the limit H → 0.
Finally, we investigate the longitudinal dynamics at low temperatures. To this end, the hierarchy of flow equations is solved within the same anisotropic deformation scheme complemented by an expansion in the inverse interaction range, and the resulting longitudinal dynamic structure factor is calculated within a low-momentum expansion. In D = 3, the large phase space accessible for the decay into transverse magnons yields only a broad hump centered at zero frequency whose width scales linearly in momentum. In contrast, at low temperatures and in a certain range of magnetic fields, a well-defined quasiparticle peak with linear dispersion emerges in D ≤ 2, which we identify as zero-magnon sound. Sound velocity and damping are discussed as a function of temperature and magnetic field, and the relevant momentum-frequency window is estimated and compared to the hydrodynamic
second-magnon regime.
We study the polarization of relativistic fluids using the relativistic density operator at global and local equilibrium. In global equilibrium, a new technique to compute exact expectation values is introduced, which is used to obtain the exact polarization vector for fields of any spin. The same result has been extended to the case of massless fields. Furthermore, it is demonstrated that at local equilibrium not only the thermal vorticity but also the thermal shear contribute to the polarization vector. It is shown that assuming an isothermal local equilibrium, the new term can solve the polarization sign puzzle in heavy ion collisions.
Hinreichend kalte und dichte Quarkmaterie ist ein Farbsupraleiter. Ähnlich wie Elektronen in einem gewöhnlichen Supraleiter bilden Quarks Cooper-Paare. Während bei Elektronen der Austausch von Phononen zu einer Anziehung führt, ist im Falle von Quarks der Antitriplett-Kanal der starken Wechselwirkung attraktiv. Arbeiten in den letzten Jahren haben verschiedene Phasen von farbsupraleitender Quarkmaterie untersucht und sich dabei vor allem auf Phasen konzentriert, m denen der Gesamtspin eines Cooper-Paares verschwindet. In der vorliegenden Dissertation habe ich hauptsächlich Farbsupraleiter diskutiert, deren Cooper-Paare im Spin-Triplett-Kanal kondensieren, d.h. die Cooper-Paare haben den Gesamtspin 1. Diese Art von Supraleiter ist möglicherweise relevant für Systeme in der Natur, wie z.B. das Innere von Neutronensternen. Denn bei der Spin-0-Farbsupraleitung wird vorausgesetzt, dass die Fermi-Impulse zweier Quark-Flavor gleich ist oder zumindest hinreichend klein, was für realistische Systeme, also für nicht zu große Dichten, fragwürdig ist. Diese Einschränkung gibt es im Falle von Spin-1-Farbsupraleitern nicht, da hier Quarks des gleichen Flavors Cooper-Paare bilden. Ich habe in meiner Dissertation die verschiedenen möglichen Phasen eines Spin-1-Farbsupraleiters systematisch klassifiziert. Dies wurde mit Hilfe von gruppen-theoretischen Methoden durchgeführt, basierend auf der Tatsache, dass die Farbsupraleitung durch das theoretische Konzept der spontanen Symmetriebrechung beschrieben werden kann. Ähnlich wie bei supraflüssigem Helium-3 gibt es eine Vielzahl theoretisch möglicher Phasen. Ich habe die physikalischen Eigenschaften von vier dieser Phasen untersucht, nämlich der polaren und planaren Phasen sowie der A- und CSL-(color-spin-locked)Phasen. Mit Hilfe der QCD-Lückengleichung wurde die Energielücke sowie die kritische Temperatur bestimmt. Es stellt sich heraus, dass die Energielücke eines Spin-1-Farbsupraleiters um 2-3 Größenordnungen kleiner ist als die eines Spin-0-Farbsupraleiters, d.h. sie liegt im Bereich von 10 - 100 keV. Zwei besondere Eigenschaften der Energielücke werden diskutiert, nämlich eine 2-Lücken-Struktur, die in zwei der untersuchten Fälle auftritt, sowie mögliche Anisotropien, insbesondere Nullstellen der Lückenfunktion. Die Berechnung der kritischen Temperatur zeigt, dass es durchaus farbsupraleitende Materie in einer Spin-1-Phase im Innern von Neutronensternen geben kann, da die Temperatur von alten Neutronensternen im Bereich von einigen keV oder sogar darunter liegt. Darüber hinaus wurde die Frage untersucht, ob ein Farbsupraleiter auch ein gewöhnlicher Supraleiter ist. In diesem Zusammenhang ist die Frage von Interesse, ob ein Spin-1-Farbsupraleiter gewöhnliche Magnetfelder aus seinem Innern verdrängt, was sicherlich Auswirkungen auf die Observablen eines Neutronensterns hätte. Tatsächlich stellt sich heraus, dass ein Spin-1-Farbsupraleiter, im Gegensatz zu einem Spin-0-Farbsupraleiter, einen elektronmagnetischen Meissner-Effekt aufweist. Dieses Ergebnis wurde mit Hilfe von gruppentheoretischen Überlegungen vorausgesagt und mit Hilfe einer detaillierten Berechnung der Photon-Meissner-Massen bestätigt.
The phenomenon of magnetism is a pure quantum effect and has been studied since the beginning of civilization. The practical use of magnetic materials for technical purposes was well established in the 19th century; still nowadays there is no lack of new high-tech applications based on magnetism for example in information technology to store and process data. This thesis does not focus on the development of new applications of magnetism in technology, nor enhancement of known fields of application. Instead, the intention is to use a quantum theory of magnetism for obtaining new insights on physical effects that accompany the phenomenon of magnetism. Therefore three different model systems, each of which are believed to describe a class of real compounds, are considered. Starting from the idea that magnetism can be understood by use of the so-called Heisenberg model that microscopically characterizes the interaction between localized magnetic moments, we restrict ourselves to the case where a long-range magnetic order is present. In order to deduce consequences resulting from this microscopic picture we use the spin-wave theory that is introduced in the first chapter. Central objects of this theory are the magnons which are elementary quantum excitations in ordered magnets. An application of these mathematical techniques to a model that describes an antiferromagnet in an external magnetic field is presented in the second chapter. Quantities like the spin-wave velocity and the damping of magnons are calculated using a Hermitian operator approach in the framework of spin-wave theory. A strong renormalization of the magnetic excitations arises because the symmetry of the system is reduced due to the external magnetic field. In the second model system, that describes thin films of a ferromagnet, concepts of classical physics meet quantum physics: The magnetic dipole-dipole interaction that is also known in everyday life from the magnetic forces between magnets and was initially formulated in the theory of electromagnetism, is included in the microscopic model. Having a special compound in mind where the magnetic excitations are directly accessible in experiments, the energy dispersions of magnon modes in thin-film ferromagnets are deduced. Our approach is essentially a basis for further investigations beyond this thesis to describe strong correlations and condensation of magnons. A recent realization of data processing devices with spin waves puts the understanding of physical processes in these ferromagnetic films in the focus of upcoming research. The third model system brings in the so-called frustration where the interactions between the spins are such that the total energy cannot be minimized by an appropriate alignment of the magnetic moments in the classical picture. In the simplest case this appears because the antiferromagnetically coupled spins are located on a triangular lattice. This situation will lead to strong quantum fluctuations which make this model system interesting. Finally the overall symmetry is reduced by inclusion of spin anisotropies and an external magnetic field. Instead of focusing on the properties of the magnetic excitations, the effect of the magnetic field on the properties of the lattice vibrations is subject to the investigation. This is interesting because the characteristics of lattice vibrations can be measured experimentally using the supersonic technique.
The focus of this thesis is on quantum Heisenberg magnets in low dimensions. We modify the method of spin-wave theory in order to address two distinct issues. In the first part we develop a variant of spin-wave theory for low-dimensional systems, where thermodynamic observables are calculated from the Gibbs free energy for fixed order parameter. We are able to go beyond linear spin-wave theory and systematically calculate two-loop correction to the free energy. We use our method to determine the low-temperature physics of Heisenberg ferromagnets in one, two and three spatial dimensions. In the second part of the thesis, we treat a two-dimensional Heisenberg antiferromagnet in the presence of a uniform external magnetic field. We determine the low-temperature behavior of the magnetization curve within spin-wave theory by taking the absence of the spontaneous staggered magnetization into account. Additionally, we perform quantum Monte Carlo simulations and subsequently show that numerical findings are qualitatively comparable to spin-wave results. Finally, we apply our method to an experimentally motivated case of the distorted honeycomb lattice in order to determine the strength of the exchange interactions.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die Spindephasierung optisch angeregter itineranter Ladungsträger in magnetisch dotierten Volumenhalbleitern mit Methoden der zeitaufgelösten magneto-optischen Ultra-Kurzzeit-Spektroskopie untersucht und eine theoretische Beschreibung der Spindephasierung entwickelt, die ein hohes Maß an Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen aufweist. Beim untersuchten Material Cd1-xMnxTe handelt es sich um einen sog. magnetischen Halbleiter, der die elektronischen Eigenschaften eines Halbleiters mit den magnetischen Eigenschaften eines Paramagneten vereint. Bedingt durch die starke sp/d-Austauschwechselwirkung zwischen den Spins der lokalisierten magnetischen Ionen und denen der optisch angeregten itineranten Ladungsträger, kommt es zur Ausbildung vieler neuer, bisher unbekannter, aber auch zur Modifikation bereits bekannter Effekte. Die Wirkungsweise der sp/d-Austauschkopplung in magnetischen Halbleitern kann stark vereinfacht gesprochen als eine Art „Verstärker“ verstanden werden, der unter anderem zu einer Intensivierung all solcher Effekte führt, die durch Magnetfelder, seien sie externer oder interner Natur, bedingt sind. Durch diese starke Respons auf externe Magnetfelder kommt es in magnetischen Halbleitern zu einer starken Überhöhung der Zeeman-Aufspaltung, so daß eine getrennte Beobachtung der ansonsten entarteten Spinzustände möglich wird. Die Methode der Wahl zur Untersuchung der zeitlichen Entwicklung der energetisch aufgespaltenen Spinzustände ist die Detektion der zeitaufgelösten Spinquantenschwebungen der Ladungsträger, die das zeitaufgelöste Analogon zur Detektion des Hanle-Effektes in Gasen darstellt. Hierfür kam ein magneto-optischer Detektionsaufbau zum Einsatz, der es ermöglichte, die zeitliche Entwicklung der Komponenten der transienten Magnetisierungen der im Magnetfeld präzedierenden Ladungsträgerspins zu erfassen und so Rückschlüsse auf die Lebensdauer der angeregten Zustände zu schließen. Da die so bestimmten Dephasierungszeiten der detektierten Transienten der Spinquantenschwebungen eine starke Abhängigkeit von den externen Parametern wie der Temperatur, dem Magnetfeld und der magnetischen Dotierung aufweisen, war es ein Ziel dieser Arbeit, eine systematische Untersuchung der gefundenen Abhängigkeiten durchzuführen, um so eine möglichst breite Datenbasis für die weitere theoretische Untersuchung der gefundenen Ergebnisse zu schaffen. Im Zuge dieser Untersuchungen gelang uns unter anderem der erste experimentelle Nachweis der oszillatorischen Signaturen von kohärenten Lochspinquantenschwebungen in magnetisch dotierten Halbleitern. Obwohl magnetisch dotierte Halbleiter bereits seit mehr als 30 Jahren experimentell untersucht werden, konnten unsere experimentellen Befunde zur Spindephasierung optisch angeregter Ladungsträger durch keines der etablierten Modelle zur Beschreibung der Spindephasierung, sei es in magnetisch dotierten oder in undotierten Halbleitern, beschrieben werden. Aus diesem Grund wurde ausgehend vom Gedanken, daß lokale Fluktuationen der Magnetisierung der magnetischen Ionen einen starken Einfluß auf die Lebensdauer der itineranten Spins haben, ein neues Modell entwickelt. Dieses Modell beruht auf der Adaption einer Beschreibung der Spindephasierung, die im Rahmen von Kernresonanzexperimenten entwickelt wurde und der Orientierung der Störungen der Magnetisierung in bezug zur Orientierung der Spins der itineranten Ladungsträger besonders Rechnung trägt. Durch die konsequente Ableitung quantitativer Ausdrücke für die Stärke der Magnetisierungsfluktuationen unter Berücksichtigung quantenmechanischer Fluktuationen gelang es uns, eine einfache Beschreibung für die Spindephasierung optisch angeregter Elektronen und Löcher in magnetischen Halbleitern in Abhängigkeit von der Temperatur, dem Magnetfeld und der Mangan-Dotierung zu formulieren. Die im Rahmen unseres Modells berechneten Dephasierungszeiten weisen im Bereich geringer Mangan-Konzentrationen (x <4 %) ein hohes Maß an Übereinstimmung mit den experimentellen Daten auf und können die beobachteten Temperatur- und Magnetfeldabhängigkeiten sehr gut wiedergeben. Für noch höhere Konzentrationen der Mangan-Ionen treten zunehmend Abweichungen der berechneten Dephasierungszeiten von den experimentellen Daten auf, die allerdings immer noch eine qualitative Aussage über das Verhalten der Spindephasierung erlauben. So reproduziert unser Modell unter anderem den experimentell für alle Proben gefundenen, an sich nicht direkt einsichtigen Befund, zunehmender Spinlebenszeiten mit steigender Temperatur, der allgemein als "motional narrowing" bezeichnet wird. Da das von uns vorgestellte Modell ohne wahlfreie Parameter auskommt und die zur Berechnung der Spindephasierungszeiten notwendigen Größen der Literatur entnommen oder experimentell bestimmt werden können, ist der hohe Grad an Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen beachtlich. Weitere Verfeinerungen des Modells könnten zu einer weiteren Steigerung der Übereinstimmung vor allem im Bereich hoher Mangan-Konzentrationen führen, jedoch würde dies unserer Meinung nach den Rahmen des vorgestellten Modells sprengen. Wir verstehen unsere theoretische Untersuchung zur Spindephasierung vielmehr als einen Startpunkt für eine nun durchzuführende exakte quantenmechanische theoretische Untersuchung der Spindephasierung optisch angeregter Ladungsträger in magnetischen Halbleitern. Weitere Untersuchungen müssen nun klären, inwieweit das von uns für die Beschreibung der Spindephasierung in magnetisch dotierten CdTe-Volumenhalbleitern entwickelte Modell auf II-VI-Volumenhalbleiter allgemein und andere magnetisch dotierte Materialien wie z.B. magnetische III-V-Halbleiter vom Typ Ga1-xMnxAs übertragbar sind, die speziell im Hinblick auf ihre ferromagnetische Ordnung unter dem Einfluß der RKKY-Wechselwirkung und deren möglichen Einfluß auf die Spindephasierung von besonderem Interesse sind.
In the classical Dirac equation with strong potentials, called overcritical, a bound state reaches the negative continuum. In QED the presence of a static overcritical external electric field leads to a charged vacuum and indicates spontaneous particle creation when the overcritical field is switched on. The goal of this work is to clarify whether this effect exists, i.e. if it can be uniquely defined and proved, in time-dependent physical processes. Starting from a fundamental level of the theory we check all mathematical and interpretational steps from the algebra of fields to the very effect. In the first, theoretical part of this thesis we introduce the mathematical formulation of the classical and quantized Dirac theory with their most important results. Using this language we define rigorously the notion of spontaneous particle creation in overcritical fields. First, we give a rigorous definition of resonances as poles of the resolvent or the Green's function and show how eigenvalues become resonances under Hamiltonian perturbations. In particular, we consider essential for overcritical potentials perturbation of eigenvalues at the edge of the continuous spectrum. Next, we gather various adiabatic theorems and discuss well-posedness of the scattering in the adiabatic limit. Then, we construct Fock space representations of the field algebra, study their equivalence and give a unitary implementer of all Bogoliubov transformations induced by unitary transformations of the one-particle Hilbert space as well as by the projector (or vacuum vector) changes as long as they lead to unitarily equivalent Fock representations. We implement in Fock space self-adjoint and unitary operators from the one-particle space, discussing the charge, energy, evolution and scattering operators. Then we introduce the notion of particles and several particle interpretations for time-dependent processes with a different Fock space at every instant of time. We study how the charge, energy and number of particles change in consequence of a change of representation or in implemented evolution or scattering processes, what is especially interesting in presence of overcritical potentials. Using this language we define rigorously the notion of spontaneous particle creation. Then we look for physical processes which show the effect of vacuum decay and spontaneous particle creation exclusively due to the overcriticality of the potential. We consider several processes with static as well as suddenly switched on (and off) static overcritical potentials and conclude that they are unsatisfactory for observation of the spontaneous particle creation. Next, we consider properties of general time-dependent scattering processes with continuous switch on (and off) of an overcritical potential and show that they also fail to produce stable signatures of the particle creation due to overcriticality. Further, we study and successfully define the spontaneous particle creation in adiabatic processes, where the spontaneous antiparticle is created as a result of a resonance (wave packet) decay in the negative continuum. Unfortunately, they lead to physically questionable pair production as the adiabatic limit is approached. Finally, we consider extension of these ideas to non-adiabatic processes involving overcritical potentials and argue that they are the best candidate for showing the spontaneous pair creation in physical processes. Demanding creation of the spontaneous antiparticle in the state corresponding to the overcritical resonance rather quick than slow processes should be considered, with a possibly long frozen overcritical period. In the second part of this thesis we concentrate on a class of spherically symmetric square well potentials with a time-dependent depth. First, we solve the Dirac equation and analyze the structure and behaviour of bound states and appearance of overcriticality. Then, by analytic continuation we find and discuss the behaviour of resonances in overcritical potentials. Next, we derive and solve numerically (introducing a non-uniform continuum discretization for a consistent treatment of narrow peaks) a system of differential equations (coupled channel equations) to calculate particle and antiparticle production spectra for various time-dependent processes including sudden, quick, slow switch on and off of a sub- and overcritical potentials. We discuss in detail how and under which conditions an overcritical resonance decays during the evolution giving rise to the spontaneous production of an antiparticle. We compare the antiparticle production spectrum with the shape of the resonance in the overcritical potential. We study processes, where the overcritical potentials are switched on at different speed and are possibly frozen in the overcritical phase. We prove, in agreement with conclusions of the theoretical part, that the peak (wave packet) in the negative continuum representing a dived bound state partially follows the moving resonance and partially decays at every stage of its evolution. This continuous decay is more intensive in slow processes, while in quick processes the wave packet more precisely follows the resonance. In the adiabatic limit, the whole decay occurs already at the edge of the continuum, resulting in production of antiparticles with vanishing momentum. In contrast, in quick switch on processes with delay in the overcritical phase, the spectrum of the created antiparticles agrees best with the shape of the resonance. Finally, we address the question how much information about the time-dependent potential can be reconstructed from the scattering data, represented by the particle production spectrum. We propose a simple approximation method (master equation) basing on an exponential, decoherent decay of time-dependent resonances for prediction of particle creation spectra and obtain a good agreement with the results of full numerical calculations. Additionally, we discuss various sources of errors introduced by the numerical discretization, find estimations for them and prove convergence of the numerical schemes.
Neurons are cells with a highly complex morphology; their dendritic arbor spans up to thousands of micrometers. This extended arbor poses a challenge for the logistics of neuronal processes: mRNA, proteins, and organelles have to be transported to dendrites, hundreds of micrometers away from the soma. This thesis aims to calculate the minimum number of proteins needed to populate the dendritic trees for different scenarios.
In chapter 2, I analyzed the ability of different mechanisms to populate the dendritic arbor. I started from the solution of the diffusion equation in Sec. 2.1, then I included the contribution of active transport in Sec. 2.2 and showed how it could have either the effect of increasing the effective diffusion coefficient or of introducing a bias in the diffusion process. In Sec. 2.3 I studied the spatial distribution of locally synthesized protein, accordingly with actively and passively transported mRNA. In Sec. 2.5, I derived the boundary condition for branches showing a qualitatively different behavior of surface and cytoplasmic proteins induced by the medium’s dimensionality in which they diffuse.
In chapter 3, I introduced the concept of protein requirement, defined as the minimum number of proteins that the neuron needs to produce to provide at least one protein to each micrometer of the dendritic arbor. In Sec. 3.1, I derived the protein requirement for diffusive proteins for somatic translation and constant translation in the dendritic arbor. In Sec. 3.2, I analyzed numerically the protein requirement in the case of actively transported protein synthesized in the soma, and, in Sec. 3.3, in the case of actively transported proteins synthesized in the dendritic arbor. In Sec. 3.4, I analyzed the protein requirement of protein synthesized in the dendrite accordingly with the distribution of mRNA described in Sec. 3.3 and 3.2. In Sec. 3.5, I derived the protein requirement for a single branch and purely diffusive proteins.
In chapter 4, I analyzed the relation between the radii of the three afferent dendrites in a branch, their length, and the diffusion length of a protein. In Sec. 4.1 I derived the optimal ratio between the radii of the daughter dendrites that minimizes the protein requirement. In Sec. 4.3 I introduced the 3/2− Rall Rule and in Sec. 4.5 its generalization. Finally, I used those rules to estimate the fraction of proteins diffusing away from and toward the soma.
In chapter 5, I analyzed the radii distribution for three categories of neurons: cultured hippocampal neurons in Sec. 5.1, stomatogastric ganglia neuron in Sec. 5.2, and 3DEM reconstructed prefrontal pyramidal neurons in Sec. 5.3. For each of these three classes, I analyzed the distribution of radii, Rall exponents, and the probability ratio. For most of them, I found that the probability of a protein diffusing away from the soma is higher for surface proteins than for cytoplasmic ones. I quantified this with a parameter called surface bias.
In Chapter 6, I analyzed the fluorescent ratio imaged by our collaborators Anne-Sophie Hafner, for a surface protein, GFP::Nlg, and a soluble one, GFP, in cultured hippocampal neurons, and I compared the fluorescent ratio with the probability ratio obtained in 5.1, finding that they are in good agreement.
In chapter 7, I compared the real dendritic morphologies imaged by one of our collaborators Ali Karimi with the optimal branching rule obtained in Sec. 4.1 and I calculated the cost for not having optimal branching radii.
Finally, in Chapter 8, I used the knowledge of the branching statistics gathered in 5.3 to simulate the protein profile on three different classes of neurons: pyramidal neurons, granule neuron, and Purkinje neurons. I compared the protein profile for surface and cytoplasmic neurons for each morphology for two different values of the diffusion length: λ = 109µm and λ = 473µm, both for optimized radii and symmetrical radii. I showed how the radii optimization reduces the protein requirement of a factor 10 4 for pyramidal neurons.
Statistical physics of power flows on networks with a high share of fluctuating renewable generation
(2010)
Renewable energy sources will play an important role in future generation of electrical energy. This is due to the fact that fossil fuel reserves are limited and because of the waste caused by conventional electricity generation. The most important sources of renewable energy, wind and solar irradiation, exhibit strong temporal fluctuations. This poses new problems for the security of supply. Further, the power flows become a stochastic character so that new methods are required to predict flows within an electrical grid. The main focus of this work is the description of power flows in a electrical transmission network with a high share of renewable generation of electrical energy. To define an appropriate model, it is important to understand the general set-up of a stable system with fluctuating generation. Therefore, generation time series of solar and wind power are compared to load time series for whole Europe and the required balancing or storage capacities analyzed. With these insights, a simple model is proposed to study the power flows. An approximation to the full power flow equations is used and evaluated with Monte-Carlo simulations. Further, approximations to the distributions of power flows along the links are analytically derived. Finally, the results are compared to the power flows calculated from the generation and load data.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden astrophysikalisch relevante, kernphysikalische Raten, die zum Verständnis der beobachteten Häufigkeit des langlebigen Isotopes 60Fe wichtig sind, am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH und am Forschungsreaktor TRIGA in Mainz gemessen.
Zunächst wurde der Coulombaufbruch von 59Fe und 60Fe am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH untersucht. Zur Produktion der radioaktiven Strahlen wurde ein 64Ni-Primärstrahl auf ein Spallationstarget geleitet. Im Fragmentseparator wurden die Isotope nach deren magnetischen Steifigkeit separiert und nur die gewünschte Spezies im LAND/R3B-Aufbau untersucht. Die Bestimmung von Impuls und Ladung der eingehenden Ionen erlaubte eine individuelle Identifikation. Der Coulombaufbruchwirkungsquerschnitt wurde mit einer Bleiprobe bestimmt. Die verschiedenen Untergrundkomponenten ergaben sich aus einer begleitenden Leermessung, sowie einer Messung mit einer Kohlenstoffprobe. Der Wirkungsquerschnitt der Reaktion Pb(60Fe,n+59Fe)Pb bei (530±5) MeV/u wurde zu σ(60Fe,n+59Fe) COULEX = (298±11stat±31syst) mb (0.1) bestimmt und für die Reaktion Pb(59Fe,n+58Fe)Pb ergab sich σ(59Fe,n+58Fe) COULEX = (410±11stat±41syst) mb. (0.2)
Außerdem konnten für beide einkommenden Strahlsorten die Wahrscheinlichkeiten für die Produktion von zwei Neutronen bestimmt werden.
Anschließend wurde der Neutroneneinfangsquerschnitt von 60Fe bei kT = 25,3 meV am Forschungsreaktor TRIGA in Mainz bestimmt. Hierfür wurde eine 60Fe Probe zunächst anhand des Anstieges der Aktivität der 60Co-Tochterkerne charakterisiert und anschließend im Reaktor bestrahlt. Die frisch erzeugte Aktivität des 61Fe wurde mit einem HPGe-Detektor nachgewiesen. Mit Hilfe der Cadmiumdifferenzmethode konnte daraus erstmals der thermische Neutroneneinfangsquerschnitt von 60Fe zu σ60Fe(n,γ) th = 0,22±0,02stat±0,02syst b. (0.3) bestimmt werden. Für das Resonanzintegral ergab sich die obere Schranke von I 60Fe(n,γ) res = 0,61 b. (0.4)
In dieser Arbeit wurden zum ersten Mal explizite Ausdrücke für Strahlungskorrekturen zur Grundzustandsenergie der relativistischen Dichtefunktionaltheorie hergeleitet und im Rahmen einer Langwellennäherung ausgewertet. Dazu wurde, ausgehend von einer angemessenen Zerlegung des Wechselwirkungs-Hamiltonians (2.23), ein DFT-Analogon zu Sucher's Level-Shift Formel abgeleitet, G1. (3.54). Mit Hilfe der Ausdrücke für die Gesamtenergie Etd (3.17), die Hartree-Energie EH (3.21) sowie die korrespondierenden Potentiale (3.29), (3.30) und der Grundzustandsenergie des nichtwechselwirkenden KS-Systems, (3.41), kann diese DFT Level-Shift Formel dann mit dem Austauschkorrelationsenergiefunktional in Verbindung gebracht werden. Der resultierende Ausdruck für den Level-Shift, G1. (3.55), liefert eine exakte Darstellung des Austauschkorrelationsenergiefunktionals der RDFT. Dieses Funktional ist ein implizites Dichtefunktional, da es von den KS-Orbitalen und Eigenwerten abhängt. Der Vergleich mit dem Ausdruck für Exc aus Kapitel 6.1, der das Ergebnis des in der DFT weit verbreiteten Kopplungskonstantenintegrations-Schemas ist, zeigt, dass beide Zugänge vollkommen äquivalent sind. Allerdings wurde die in dieser Dissertation erarbeitete DFT Level-Shift Formel analog zur Standard QED-Störungsreihe abgeleitet und stellt damit einen idealen Zugang für , die Untersuchung von QED-Effekten im Rahmen relativistischer DFT dar. Insbesondere beinhaltet unser Zugang das bekannte QED-Schema, wenn man im Störanteil des Hamiltonoperators (3.32) das KS-Potential ... (3.29) durch das Potential eines wasserstoffartigen Systems ersetzt. Eine selbstkonsistente Anwendung dieses Zugangs verlangt jedoch die Lösung der relativistischen OPM-Integralgleichung. Während in Kapitel 4 gezeigt wurde, dass dies für den transversalen Austausch relativ direkt möglich ist, ist bisher noch nicht explizit überprüft worden, wie Vakuumkorrekturen im Zusammenspiel mit der OPM-Integralgleichung zu berücksichtigen sind. Da eine solche Untersuchung den Rahmen der vorliegenden Arbeit gesprengt hätte, haben wir uns auf eine perturbative Auswertung der Ausdrücke für Vakuumpolarisation und Vertexkorrektur beschränkt. .....
In this thesis, the emission of protons as well as the production of Λ hyperons, Κ0S mesons and 3ΛH hypernuclei are analyzed multi-differentially as a function of transverse momentum, rapidity and centrality. Therefore, the 3.03 billion 30 % most central Ag(1.58A GeV)+Ag events recorded by HADES are used. Furthermore, the lifetimes of Λ hyperons, Κ0S mesons and 3ΛH hypernuclei are measured. The obtained 3ΛH lifetime of (253 ± 24 ± 42) ps is compatible with the lifetime of free Λ hyperons, as predicted by theoretic calculations due to its low binding energy. Finally, also the double strange Ξ– hyperons are reconstructed. Unfortunately, the fully optimized signals lie below the confidence threshold of 5σ, which is why both an production rate and an upper production limit are estimated using averaged acceptance and efficiency corrections. Never before, 3ΛH or Ξ– were successfully reconstructed and analyzed in heavy-ion collisions at such low energies. The obtained results are compared to previous measurements and put in context with world data form different energies and collision systems.
In this thesis, we have investigated strongly correlated bosonic gases in an optical lattice, mostly based on a bosonic version of dynamical mean field theory and its real-space extension. Emphasis is put on possible novel quantum phenomena of these many-body systems and their corresponding underlying physics, including quantum magnetism, pair-superfluidity, thermodynamics, many-body cooling, new quantum phases in the presence of long-range interactions, and excitational properties. Our motivation is to simulate manybody phenomena relevant to strongly correlated materials with ultracold lattice gases, which provide an excellent playground for investigating quantum systems with an unprecedented level of precision and controllability. Due to their high controllability, ultracold gases can be regarded as a quantum simulator of many-body systems in solid-state physics, high energy astrophysics, and quantum optics. In this thesis, specifically, we have explored possible novel quantum phases, thermodynamic properties, many-body cooling schemes, and the spectroscopy of strongly correlated many-body quantum systems. The results presented in this thesis provide theoretical benchmarks for exploring quantum magnetism in upcoming experiments, and an important step towards studying quantum phenomena of ultracold gases in the presence of long-range interactions.
Seit Anbeginn der Festkörperphysik ist die Frage, warum manche Materialien metallisch sind, andere dagegen isolierend, von zentraler Bedeutung. Eine erste Erklärung wurde durch die Bändertheorie [23, 44] gegeben. Die Elektronen sind dem periodischen Potential der Rumpfatome ausgesetzt, wodurch ein Energiespektrum bestehend aus Bändern erzeugt wird und die Füllung dieser Bänder bestimmt die Leitungseigenschaften des Festkörpers. ...
This study addresses the structure-function relationships of three essential membrane proteins: Porin from Paracoccus denitrificans, Porin OmpG from Eschericia coli and BetP from Corynobacterium glutamicum using Fourier transform infrared (FT-IR) spectroscopy and Attenuated Total Reflection (ATR) techniques. The structure of porin from P. denitrificans is known for more than a decade; however, the mechanism for loss of functionality together with the monomerization was not clear. In this study we have addressed the role of lipids for the functionality of porin using FT-IR. OmpF porin was found to interact with the lipid molecules via the aromatic girdles surrounding the protein for functionality. In this study, molecular bonds and groups of the lipids were established as reporter groups probing at different depths of the bilayer in order to understand the interaction partner of the aromatic girdles of porins. Monomerization of the trimeric assembly of OmpF porin reconstituted in lipids is induced by increasing the temperature. Porin (OmpF) was found to be extremely stable: The secondary structure of the protein was unaltered up to the temperature-induced main transition, around 80-90 °C, above which it is denatured. However, the interaction of the aromatic girdle with the lipid molecules exhibited distinct changes at much lower temperature values (40 - 50°) where, according to the previous functional studies, monomerization and the loss of function occurs. The results are compared with OmpG porin from E.coli, for which the functional unit is a monomer. The aromatic girdle-lipid interaction was monitored by the tyrosine aromatic ring C=C vibrational mode, a universal marker for the protein stability and interaction. We have also found that the aromatic girdles of porins are interacting with the interfacial region of the lipid bilayer instead of lipid headgroups. Lipid-protein interaction was found to be not only essential for the structural stability, but also for the functionality of OmpF porin. We have also studied the structural properties of OmpG from E.coli. The structure of OmpG at two pH values has been resolved using X-ray crystallography and the channel has been proposed to attain different states at different pH values as closed (pH < 5.5) and open (pH >7.5). This study, using IR spectroscopy, revealed that the pH-induced opening and closing of the channel is reflected by the frequency shifts of the ? sheet structure. OmpG has more rigid ? barrel properties upon opening of the channel. IR spectral analysis revealed multiple ? sheet signals with different hydrogen bond strengths. This enabled us to monitor the formation of hydrogen bridges between the extracellular loops upon opening of the channel. The conclusion that OmpG porin having two states at different pH values was also confirmed by the three mutants where the role of the histidine pair (H231 & H261) and loop 6 has been addressed. Temperature-profiling of the wild type (WT) protein and the mutants did not show pH dependent structural stability differences in detergent solution. However, the WT protein was found to be more stable in the open form in 2D crystals than the closed form. Reconstitution into lipids has increased the transition temperature value by ~20 °C in the closed state and ~25 °C in the open state. Therefore we conclude that the open and closed state of OmpG has structural stability differences that are only revealed in the lipid environment. A comparison of the transition temperature values of OmpG WT and the mutants suggested that the hydrogen bond network among S218-H231-H261-D267, together with the formation of 12 residue-long ?-sheet contributes to the structural stability of the open channel. In the process of closing and opening of the channel, the globular structure of the protein remains mainly unchanged, while there are changes in the side chain moieties. In addition to the role of the histidine pair and the loop L6, in situ opening/closing experiments showed that the negatively charged amino acids, i.e. Asp and Glu, and Arg residues also play an active role; possibly by interacting with each other inside the pore lumen. Therefore it could be concluded that the closure of the channel at acidic pH values is not only via closing the channel entrance by loop 6, but also via changing the electric potential inside the lumen due to the different states of charged amino acids in order to effectively block the gateway. BetP from C.glutamicum attains an active and inactive state in order to adjust its glycine betaine uptake rate to the osmotic conditions that the cell encounters. The structure of BetP is not yet available. The WT protein exhibited structural differences in the presence of excess K+, which is one of the activation conditions. In 2D crystals, increasing the ionic strength to 700 mM K+ was shown to induce changes in the ?-helical moiety with contributions from the ester groups and one Tyr residue using ATR-FTIR. An increase in ionic strength to 220 mM K+ was found to be the threshold value of potassium concentration ([K+]) where the protein exhibits structural alterations in detergent solution. The determined [K+] values are in good agreement with the previous functional studies. However, there are differences in the activation profile of BetP in 2D crystals and in detergent solution, which points out that the lipids are involved in the conformational transition from the inactive to the active state and their absence can lead to different structural properties. BetP WT was found to have ~65% alpha-helix, ~25% random coil and ~10% turn structure in detergent solution. In the presence of excess K+, the WT protein is found to adapt more unordered structure. Secondary structure analysis of the mutants revealed that both the N- and C-terminus are in ?-helical conformation. Reconstitution of WT protein in 2D crystals increased the main transition (denaturation) temperature value from ~62 °C to ~85 °C, a clear indication that the protein is more stable in lipid environment. Temperature-profiling of the two forms of the WT protein revealed that the structural breakdown is preceeded by monomerization of the trimeric assembly. Comparing the two forms of the WT protein and the mutant BetA, we conclude that the oligomeric status is stabilized via the interactions among hydrophilic regions involving the N terminus. H/D exchange and activation with excess K+ in D2O-buffer revealed that activation of the protein involves the interaction of Arg and Asp/Glu residues in the cytoplasmic region of the protein. BetP WT and the two mutants tested, i.e. BetA and BetP?C45, showed differences in protein packing upon activation. The WT protein and BetP?C45 mutant also show changes in the hydrogen bonding properties of turns. Since BetA does not show such a property in activation, we conclude that the N-terminus interacts with the loops in the inactive state via the interaction of charged amino acids for the WT protein and that this interaction is altered during the activation. It could be argued that the protein packing is affected via the changes in turns upon activation. We also have found experimental evidence that one Tyr residue has different orientations in the active and inactive state of BetP. Based on the previous functional studies, it could be one of the five Tyr residues in the cytoplasmic region of the protein (in loop 3, 6, 7 or C-terminus). The mutant BetP?C45, on the other hand, showed fewer differences between the active and inactive state conditions and based on the H/D exchange rates, the mutant shows the properties of an active WT protein, proving that the C-terminal truncation impairs the conformational transition between the active and inactive states.
Struktur, Funktion und Dynamik von Na(+)-, H(+)-Antiportern : eine infrarotspektroskopische Studie
(2008)
Die Funktion von Membranproteinen ist von entscheidender Bedeutung für eine Vielzahl zellulärer Prozesse. Um diese verstehen zu können, ist das Verständnis der Beziehungen zwischen der Struktur, der Dynamik und der Wechselwirkung mit der Umgebung der Membranproteine notwendig. Spektroskopische Methoden, wie beispielsweise FTIR- und CD-Spektroskopie sind in der Lage, diese Informationen zu geben. In der vorliegenden Dissertation haben sie bedeutende Beiträge zum Verständnis der durch die Aktivierung induzierten Konformationsänderungen der Na+/H+ Antiporter geleistet. Die hohe Empfindlichkeit einer selbstkonstruierten FTIR-ATR-Perfusionszelle ermöglichte es, über eine Proteinprobe verschiedene Wirkstoffmoleküle perfundieren zu lassen und die dadurch verursachten strukturellen Änderungen spektroskopisch zu charakterisieren. Die Konformationsänderungen, die den Aktivierungsprozess begleiten, wurden bei zwei verschiedenen Na+/H+ Antiportern, NhaA und MjNhaP1, untersucht. Sie werden bei unterschiedlichen pH-Bereichen aktiviert bzw. deaktiviert. Der Na+/H+ Antiporter NhaA aus E. coli hat seine maximale Transportaktivität bei pH 8,5 und ist bei pH < 6,5 vollständig inaktiv. Trotz bekannter 3D-Struktur dieses Proteins für die inaktive Konformation bei pH 4 bleiben die Konformationsänderungen, die mit der Aktivierung des Proteins einhergehen, immer noch ungeklärt. Die Analyse der FTIR- und CD-Spektren von NhaA ergab in beiden Zuständen Anteile an beta-Faltblatt, an Schleifen und ungeordneten Strukturen, wobei die alpha-helikale Struktur dominiert. Die FTIR Spektren des inaktiven und aktiven Zustands zeigen zwei Komponenten, die auf die Präsenz zweier alpha-Helices mit unterschiedlichen Eigenschaften abhängig vom Aktivitätszustand hindeuteten. Die temperaturinduzierten strukturellen Änderungen und die Reorganisation des Proteins während des Entfaltungsprozesses bestätigten, dass die Aktivierung des Proteins eine Änderung in den Eigenschaften der alpha-Helices zur Folge hat. Aktivierung führt zu einer thermischen Destabilisierung dieser Struktur. Auch für die beta-Faltblattstruktur, welche den Hauptkontakt zwischen den Monomeren bildet, wurde ein unterschiedliches thermisches Verhalten zwischen dem inaktiven und aktiven Zustand beobachtet. Daraus konnte gefolgert werden, dass Aktivität nur dann möglich ist, wenn NhaA als Dimer vorliegt. Die Ergebnisse des (1)H/(2)H Austauschs zeigen, dass die Lösungsmittelzugänglichkeit des Proteins sich mit der Aktivierung ändert. Die Aktivierung des Proteins induziert eine offene, für die Lösung zugänglichere Konformation, in welcher die Aminosäureseitenketten in der hydrophilen Region des Proteins schneller Wasserstoff durch Deuterium austauschen, und in welcher zusätzliche Aminosäureseitenketten, die sich im inaktiven Zustand in der hydrophoben Region des Proteins befinden, mit der Aktivierung der Lösung exponiert werden. Die Aufnahme reaktionsinduzierter Differenzspektren ergab eindeutige spektroskopische Signaturen für die Zustände „inaktiv“ und „aktiv“. Die Differenzspektren der pH-Titration zeigten, dass der pH-Wert einen dramatischen Effekt sowohl auf die Sekundärstruktur als auch auf den Protonierungszustand der Aminosäureseitenketten hat. Die pH- und Na+-induzierte Aktivierung des Proteins führt zur Umwandlung der transmembranen alpha-helikalen Struktur bezüglich Länge, Ordnungsgrad und/oder Anordnung und zur einer Protonierungsänderung der Aminosäureseitenketten von Glutaminsäure oder Asparaginsäure. Die pD induzierten Sekundärstrukturänderungen lieferten zusätzlich Informationen über die Umgebungsänderung der Aminosäureseitenkette des Tyrosins mit der Aktivierung. Der Vergleich der durch die Bindung des Natriums und des Inhibitors induzierten Differenzspektren zeigte, dass die Bindungsstellen des Natriums und des Inhibitors unterschiedlich sind. Die FTIR- und CD-Ergebnisse für den Na+/H+ Antiporter MjNhaP1 aus M. jannaschii, der im Gegensatz zu NhaA bei pH 6 aktiv und bei pH Werten > 8 inaktiv ist, zeigten, dass ähnlich wie NhaA das Protein im aktiven Zustand bei pH 6 hauptsächlich aus alpha-Helices aufgebaut ist. Es bestand die Möglichkeit, zwei verschiedene Probenpräparationen (Protein in Detergenz bzw. in 2D-Kristallen) zu untersuchen und miteinander zu vergleichen. Die Erhöhung des pH-Werts bei der in Detergenz solubilisierten Probe führte zu einer Abnahme der alpha-helikalen und einer Zunahme der ungeordneten Strukturen. Das äußerte sich auch in den Untersuchungen zur thermischen Stabilität und im (1)H/(2)H Austauschexperiment. Die thermische Stabilität der alpha-Helices nahm mit der Inaktivierung dramatisch ab. Diese Ergebnisse zeigten auch, dass bei der Aktivierung von MjNhaP1 die beta-Faltblattstruktur nicht involviert ist, aber diese von fundamentaler Bedeutung für die Gesamtstabilität des Proteins und wahrscheinlich für den Hauptkontakt zwischen den Monomeren verantwortlich ist. Im Gegensatz zu NhaA ist die Monomer Monomer Wechselwirkung nicht für die Aktivität von MjNhaP1 notwendig. Aufgrund des höheren Anteils von ungeordneter Struktur im inaktiven Zustand der in Detergenz solubilisierten Probe beobachtet man in diesem Zustand einen höheren (1)H/(2)H Austausch. Der Vergleich mit den Ergebnissen des (1)H/(2)H Austausches von 2D-Kristallen ermöglichte die Lokalisation der ungeordneten Struktur an der Außenseite des Proteinmoleküls im inaktiven Zustand. Die pH-induzierten Differenzspektren zeigten, dass die Aktivierung zu einer Helikalisierung des Proteins und einer Protonierungsänderung der Aminosäureseitenketten von Asparaginsäure und/oder Glutaminsäure unabhängig von der Probenpräparation führt. Der Vergleich von NhaA und MjNhaP1 zeigt, dass die Aktivierung in beiden Fällen mit einer Konformationsänderung und Änderung der Protonierung oder der Umgebung von einer oder mehreren Seitenketten von Asparaginsäure oder Glutaminsäure verbunden ist. Dabei sind die Strukturänderungen der beiden Proteine während der Aktivierung ähnlich, bei Inaktivierung jedoch deutlich unterscheidbar. Die pH-induzierten Strukturänderungen wurden bei NhaA und MjNhaP1 durch die Mutanten G338S und R347A, die keine pH-Abhängigkeit der Aktivität zeigen, bestätigt.
Die auf dem ACDM-Modell beruhenden numerischen Simulationen der gravitativen Strukturbildung sind auf Skalen M >> 10 hoch 10 M sehr erfolgreich, insbesondere konvergieren die Verfahren hinsichtlich des vorhergesagten Masseanteils der Halos an der Gesamtmasse von Galaxien. Jedoch konvergieren die Simulationen nicht bezüglich der lokalen Überdichten von CDM in den Halos, vielmehr setzt sich gravitative Strukturbildung auf immer kleinere Skalen fort. Numerisch kann keine Massen-Schwelle berechnet werden, unterhalb derer keine CDM-Strukturen mehr gravitativ gebildet werden. Die Kenntnis der lokalen Überdichten in den CDM-Wolken und die Verteilung der CDM-Wolken ist jedoch für Experimente zum direkten und indirekten Nachweis von CDM-Teilchen essentiell. Aus den lokalen Überdichten folgen für Experimente zum direkten Nachweis die einfallende Stromdichten der CDM-Teilchen und für Experimente zum indirekten Nachweis die Stromdichte der Annihilationsprodukte. Außerdem können die lokalen Überdichten als Gravitationslinsen wirken. In dieser Arbeit werden Massen Schwellen analytisch berechnet, unterhalb derer akustische Störungen in CDM nicht mehr zur gravitativen Strukturbildung beitragen können. Das Massen-Spektrum von lokalen Überdichten ist nach unten durch zwei unterschiedliche Mechanismen beschränkt: (1) Während der kinetischen Entkopplung formieren sich Nichtgleichgewichtsprozesse, die sich kollektiv als Reihungsphänomene konstituieren. Im lineare Regime sind dies die Volumenviskosität, die Scherungsviskosität und die Wärmeleitung. Die dissipativen Prozesse deponieren Energie und Impuls der akustischen Störungen in die Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Störungen und schmieren diese so aus. (II) Nach dem kinetischen Entkopplungsprozeß strömt CDM frei auf Geodäten. Dies ermöglicht einen Strom von Teilchen von überdichten in unterdichte Regionen, so daß die Amplituden der lokalen Überdichten weiter gedämpft werden. Die lokalen Transportkoeffizienten in (1) werden durch einen legitimen Vergleich von hydrodynamischer und kinetischer Beschreibung schwach dissipativer Prozesse gewonnen. Dissipative Prozesse induzieren eine Dämpfungsmasse Mc ungefähr gleich 10 hoch minus 9 M in SUSY-CDM und beschränken damit das Spektrum akustischer Störungen in SUSY-CDM. Freies Strömen (II) von CDM-Teilchen auf Geodäten induziert eine weitere Dämpfungsmasse M fs ungefähr gleich 10 hoch minus 6 M in SUSY-CDM, wobei das berechnete M d als Anfangswert dient. Die berechneten Schwellen liefern konsistente Schranken für numerische Simulationen, die weit unterhalb des momentanen numerischen Auflösungsvermögens liegen. Weiterhin folgt aus den Schwellen die Masse der ersten rein gravitativ gebundenen CDM-Wolken. Aus diesen bilden sich im Rahmen der hierarchischen Strukturbildung größere Substrukturen bis hin zu den heute vorhandenen CDM-Halos.
In der vorliegenden Arbeit beschäftigen wir uns mit der Frage, wie ein Regler für ein hochdimensionales physikalisch/technisches System strukturiert und optimiert werden soll. Diesbezüglich untersuchen wir einen neuen Ansatz, welcher versucht, Regel-Mechanismen des ökonomischen Marktes und Lern-Prozesse mit in den Regler einzubauen. Um eine anschauliche Vorstellung von der Wirkung des Reglers zu erhalten, wenden wir diesen auf ein einfaches physikalisches Model an, eine an ihren Enden eingespannte eindimensionale Federkette. Wir implementieren das Model auf einem Rechner und simulieren den Einfluß des Regelverfahrens auf die Bewegung der Kette. Dabei beschränken wir uns auf den Grenzfall kleiner Amplituden, um das System im Rahmen einer näherungsweise linearen Dynamik beschreiben zu können. Mit Hilfe eines schwachen destabilisierenden Zusatzpotentials erreichen wir, daß die niedrigen Eigenmoden der schwingenden Kette instabil werden und die ausgestreckte Kette eine instabile Gleichgewichtslage darstellt. Wir stellen uns die Aufgabe, diese unter Verwendung des Reglers zu stabilisieren. Anhand des Modells untersuchen wir den Einfluß verschiedener Anfangsbedingungen der Kette, den Einfluß der Markt-Regelung, den Einfluß verschiedener Kommunikationsstrukturen und den Einfluß des Lernverfahrens auf die Wirksamkeit und die Robustheit des Regelprozesses. Als wichtigstes Ergebnis erkennen wir, daß die Regelung mit dem Markt robuster im Vergleich mit der Regelung ohne Markt ist, aber im allgemeinen einen höheren Regel-Energieaufwand aufweist. Untersuchungen anhand des Lernverfahrens ergeben, daß sich das Lernen der Markt- und der Kommunikationsstruktur kombinieren läßt und dadurch die Wirksamkeit der Regelung gegen über der Verwendung von nur einem der beiden Lern-Ansätze erhöht werden kann. Unsere Ergebnisse zeigen, daß sich das Markt-Konzept vollständig auf den gegebenen technischen Regelprozeß übertragen läßt. In der Diskussion der Ergebnisse führen wir die erhöhte Robustheit und den erhöhten Energieaufwand der Markt-Regelung auf eine indirekte, nichtlineare Kopplung der Regeleinheiten zurück, die der Markt-Mechanismus in den Regelprozeß einführt. Die Nichtlinearität bewirkt, daß die von dem Regler bestimmten Regelkräfte bei kleinen Kontrollfehlern relativ größer sind als bei großen Kontrollfehlern. Daduch ist der Energieaufwand der Markt-Regelung bei kleinen Kontrollfehlern gegenüber der Regelung ohne Markt erhöht. Der Regler ist damit in der Lage, die Kette auch bei dem Ausfall einer Regeleinheit zu stabilisieren, da ausreichend große Regelkräfte durch die verbleibenden Regeleinheiten ausgeübt werden. Die Kopplung von benachbarten Massenpunkten durch Federn unterstützt die Robustheit der Regelung in dem untersuchten Ketten-Modell, da die Kopplung dazu führt, daß die Massenpunkte eine zur instabilen Gleichgewichtslage rücktreibende Kraft erfahren und dadurch in den Bereich von kleinen Kontrollfehlern und relativ hohen Regelkräften gelangen. Am Ende der Diskussion gehen wir kurz auf mögliche Anwendungen der gewonnen Ergebnisse ein. Dabei haben wir besonders technische Regelprozesse im Sinne von Smart Matter (intelligente Bauteile) im Auge.
Studies and measurements of linear coupling and nonlinearities in hadron circular accelerators
(2006)
In this thesis a beam-based method has been developed to measure the strength and the polarity of corrector magnets (skew quadrupoles and sextupoles) in circular accelerators. The algorithm is based on the harmonic analysis (via FFT) of beam position monitor (BPM) data taken turn by turn from an accelerator in operation. It has been shown that, from the differences of the spectral line amplitudes between two consecutive BPMs, both the strength and the polarity of non-linear elements placed in between can be measured. The method has been successfully tested using existing BPM data from the SPS of CERN, since presently the SIS-18 is not equipped with the necessary hardware. The magnet strength of seven SPS extraction sextupoles was measured with a precision of about 10%. The polarities have been unambiguously measured. This method can be used to detect polarity errors and wrong power supply connections during machine commissioning, as well as for a continuous monitoring of the "nonlinearity budget" in superconducting machines. A second beam-based method has been studied for a fast measurement and correction of betatron coupling driven by skew quadrupole field errors and tilted focusing quadrupoles. Traditional methods usually require a time-consuming scan of the corrector magnets in order to minimize the coupling stop band |C|. In this thesis it has been shown how the same correction can be performed in a single machine cycle from the harmonic analysis of multi-BPM data. The method has been successfully applied to RHIC. It has been shown that the stop band |C| (also known in the American literature as Delta-Qmin) measured in a single machine cycle with the new algorithm is compatible with the value obtained by traditional methods. The measurement of the resonance phase Theta defines automatically the best corrector setting, which was found in agreement with the one obtained with a traditional scan. A third theoretical achievement is a new description of the betatron motion close to the difference resonance in presence of linear coupling. Compared to the matrix formalism the motion is parametrized as a function of the resonance driving term f1001 only (which is proven to be an observable), whereas making use of the matrix approach four parameters need to be measured. Formulae describing the exchange of RMS emittances when approaching the resonances have been already derived in the 70s in the smooth approximation. New formulae have been derived here making use of Lie algebra providing a better description of the emittance behavior. The emittance exchange curves are predicted by new formulae with excellent agreement with multi-particle simulations and the counter-intuitive emittance variation along the ring of the emittance is proven to be related to the variation of f1001. A new way to decouple the equations of motion and explicit expressions for the individual single particle invariants have been found. For the first time emittance exchange studies have been carried out in the SIS-18 of GSI. Transverse RMS emittances have been measured during 2005 from rest gas monitor (RGM) data. Crossing the linear coupling resonance, the transverse emittances exchange completely. It has been observed that this effect is reversible. Applications of this manipulation are: emittance equilibration under consideration for future operations of the SIS-18 as booster for the SIS-100; emittance transfer during multi-turn injection to improve the eficiency and to protect the injection septum in high intensity operations, by shifting part of the horizontal emittance into the vertical plane. The emittance exchange curves obtained experimentally have been compared with analytic formulae providing a fast measurement (in few machine cycles only) of the linear coupling stop band |C|. Technical problems prevented the use of the eight skew quadrupoles installed in the SIS-18 to compensate the linear coupling resonance. It has been observed that the emittance exchange curve is highly sensitive to the beam intensity. Multi-particle simulations with 2D PIC space-charge solver have been run to infer heuristic scaling laws able to quantify the observable stop band, to be used for the resonance compensation. The analysis of BPM and RGM data has been performed making use of new software applications developed for this purpose. The bpm2rdt code for the harmonic analysis of BPM data has been written and tested with real data. The software reads the BPM turn-by-turn data and the Twiss parameters. Then it performs the FFT of these data, finds the peaks of the Fourier spectra and infers the RDT fjklm, the strengths ^hjklm and the local terms lambda-jklm. All these observables are printed out together with the corresponding values of the model, computed from the nominal values of strengths and the Twiss parameters. From the FFT of dual-plane BPM data the linear optics (beta functions and phase advances Delta phi) at the corresponding location is also inferred. From the measurement of f1000, the linear coupling coeffcient C (amplitude and phase) is also computed. The code has been tested by using existing SPS data and new RHIC data. For the on-line analysis of RGM data the rgm2emitt code has been written. The application reads in input the raw data files from the RGM and the beam loss monitor (BLM) respectively, the latter created by the RGM on-line software itself. From the RGM data the transverse beam sizes and emittances are inferred and used together with the BLM data to compute the tune shift during the machine cycle.
Das Experiment ALICE (A Large Ion Collider Experiment) am CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) LHC (Large Hadron Collider) fokussiert sich auf die Untersuchung stark wechselwirkender Materie unter extremen Bedingungen. Solche Bedingungen existierten wenige Mikrosekunden nach dem Urknall, als die Temperaturen so hoch waren, dass Partonen (Quarks und Gluonen) nicht zu farbneutralen Hadronen gebunden waren. In solch einem Quark-Gluon-Plasma können sich die Partonen frei bewegen, wobei sie allerdings mit anderen Partonen aus dem Medium stark wechselwirken. Am LHC werden Bleikerne auf ultra-relativistische Energien von bis zu 2.68 TeV beschleunigt und zur Kollision gebracht, wobei für weniger als 10 fm/c ein QGP entsteht, das schnell expandiert. Die Partonen hadronisieren, wenn das QGP sich auf Temperaturen von weniger als der Phasenübergangstemperatur von ≈155MeV abkühlt. Die finalen Teilchen- und Impulsverteilungen werden werden vom ALICE Detektor gemessen und geben Aufschluss auf elementare Prozesse im QGP.
Die TPC (Time Projection Chamber ) ist eines der wichtigsten Detektorsysteme von ALICE. Sie trägt maßgeblich zur Rekonstruktion von Teilchenspuren und zur Identifikation der Teilchensorten bei mittleren Rapiditäten bei. Die TPC ist eine große zylindrische Spurendriftkammer und besteht aus einem 88mˆ3 großen Gasvolumen, das von der zentralen Hochspannungselektrode in zwei Seiten geteilt wird. Durchquert ein Teilchen das Gasvolumen, ionisiert es entlang seiner Spur eine spezifische Menge von Gasatomen. Die Ionisationselektronen driften entlang des extrem homogenen elektrischen Feldes zu den Auslesekammern an den Endkappen auf beiden Seiten der TPC. Die Messung der Position und der Menge der Ionisationselektronen erlaubt die Rekonstruktion der Teilchenspur sowie, in Kombination mit der Impulsmessungen über die Krümmung der Teilchenspur im Magnetfeld, die Bestimmung der Teilchensorte über den spezifischen Energieverlust pro Wegstrecke im Gas. Das Gasvolumen der TPC war in LHC Run 1 (2010–2013) mit Ne-CO_2 (90-10) gefüllt. Die Gasmischung wurde zu Ar-CO_2 (88-12) für Run 2 (2015–2018) geändert. Als Auslesekammern wurden Vieldrahtproportionalkammern verwendet, die aus einer segmentierten Ausleseebene, einer Anodendrahtebene, einer Kathodendrahtebene und einem Gating-Grid (GG) bestehen. Das GG is eine zusätzliche Drahtebene, die durch zwei verschiedene Spannungseinstellungen transparent oder undurchlässig für Elektronen und positive Ionen geschaltet werden kann.
In den ersten Daten von Run 2 bei hohen Interaktionsraten wurden große Verzerrungen der gemessenen Spurpunkte beobachtet, die auf Grund von Verzerrungen des Driftfeldes auftreten und nicht von Daten aus Run 1 bekannt waren. Diese Verzerrungen treten nur sehr lokal an den Grenzen von manchen der inneren Auslesekammern (IROCs) auf. Zudem wurden auch große Verzerrungen in einer (C06) der äußeren Auslesekammern (OROCs) festgestellt, die sich bei einem bestimmten Radius über die ganze Breite der Kammer erstrecken. Die Ergebnisse dieser Arbeit befassen sich mit der Untersuchung jener Verzerrungen und ihrer Ursache, sowie mit der Entwicklung von Strategien um die Verzerrungen zu minimieren.
Messungen der Verzerrungen in den IROCs und Vergleiche mit Simulationen lassen darauf schließen, dass die Verzerrungen von positiver Raumladung hervorgerufen werden, die durch Gasverstärkung an sehr begrenzten Regionen der Auslesekammern entsteht und sich durch das Driftvolumen bewegt. Es werden charakteristische Abhängigkeiten von der Interaktionsrate sowie systematische Veränderungen bei Umkehrung der Orientierung des Magnetfeldes gemessen. Eine erneute Analyse von Run 1 Daten mit den Methoden aus Run 2 zeigt, dass die Verzerrungen bereits in Run 1 auftraten, jedoch durch die Ne-Gasmischung und niedrigere Interaktionsraten um eine Größenordnung kleiner waren. Neue Daten aus Run 2, für die die Gasmischung zeitweise wieder von Ar-CO_2 zu Ne-CO_2- N_2 geändert wurde, bestätigen die Ergebnisse der Run 1 Datenanalyse. Der Ursprung der Raumladung wird systematisch eingegrenzt. Es werden einzelne IROCs identifiziert, an deren Anodendrähten die Raumladung entsteht. Physikalische Modelle ermöglichen es, die Entstehung der Raumladung auf das Volumen zurückzuführen, das sich zwischen zwei IROCs befindet. Damit besteht die Vermutung, dass einzelne Spitzen von Anodendrähten am äußeren Rand dieser IROCs in das Gasvolumen hineinragen und somit hohe elektrische Felder erzeugen, an denen Gasverstärkung stattfindet. Die positiven Ionen können dann ungehindert in das Driftvolumen gelangen. Um diesen Effekt zu unterdrücken, wird das Potential der Cover-Elektroden angepasst, die sich auf den Befestigungsvorrichtungen der Drahtebenen an den Kammerrändern befinden. Dadurch kann die Menge von Ionisationselektronen, die in das Volumen zwischen zwei IROCs hineindriftet und vervielfacht wird, eingeschränkt werden. Über elektro-statische Simulationen und Messungen wird eine Einstellung für das Cover-Elektroden-Potential gefunden, mit der die Verzerrungen auf 30 % reduziert werden können. Die Verzerrungen in OROC C06 entstehen durch positive Ionen, die aus der Verstärkungsregion in das Driftvolumen gelangen, da an dieser bestimmten Stelle zwei aufeinanderfolgende GG-Drähte den Kontakt verloren haben. Die Verzerrungen werden um mehr als einen Faktor 3 reduziert, indem die Hochspannung der Anodendrähte um 50 V und somit der Gasverstärkungsfaktor um einen Faktor 2 verringert wird und indem das Potential der noch funktionierenden GG-Drähte erhöht wird.
Zusammenfassend konnten die lokalen Raumladungsverzerrungen für die letzte Pb−Pb Strahlzeit von Run 2 auf weniger als 1cm bei den höchsten Interaktionsraten verringert werden. Zudem wurde der Anteil des von Raumladungsverzerrungen betroffenen Volumens der TPC signifikant verringert, sodass die ursprüngliche Auflösung der Spurrekonstruktion wieder erreicht werden konnte.
Studies on the focusing performance of a Gabor lens depending on nonneutral plasma properties
(2013)
The concept of the Gabor lens goes back to an idea by Dennis Gabor, who proposed a magnetron-type trap as an effective diverging lens for electron beams (collecting lens for positive ion beams).
Electrons confined inside the lens volume by orthogonal magnetic and electric fields, create an electric space charge field that causes a radial symmetric focusing force on an ion beam passing through the lens volume.
Since the beginning of the 1990s, a new design of this lens type as well as numerical models to describe the confined plasma cloud have been developed at the Institute for Applied Physics (IAP, Johann Wolfgang Goethe-University Frankfurt).
Thanks to an improved understanding of the plasma confinement as a function of the external fields, two lenses have successfully been tested for low beam currents and remain in operation.
In the scope of this work, the performance of a prototype Gabor lens for the transport of intense, i.e. space charge dominated ion beams, was investigated at the High Current Test Injector (HOSTI) of GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH for the first time.
To ensure an optimal focusing performance of the Gabor lens a homogeneous and stable electron confinement is required. Therefore, new non-interceptive diagnostic methods were developed to investigate the parameters and state of the confined nonneutral plasma column as a function of the external fields.
An essential part of the studies was the time-resolved diagnostic of an occurring plasma instability and the determination of the electron temperature via optical spectroscopy. The latter necessitated the detailed investigation of atomic excitation as well as the measurement of optical-emission cross sections.
A comparison of the results from both experiments i.e. the beam transport measurements at GSI and the diagnostic experiments performed at IAP concerning the plasma state, gave first indications of possible interaction processes between the nonneutral plasma and the ion beam.
This work gives a detailed introduction into a fully new experimental method to investigate the quantum crystal behavior of solid Helium-4. It has been found that a fascinating new effect occurs in the expansion of solid Helium-4 into a vacuum through pinhole orifices with diameters between 1 and 5 µm. It is observed that the beam flux intensity shows a periodic behavior for source conditions corresponding to the solid phase of Helium-4. The period is in the range of seconds up to minutes. It shows a strong dependence on temperature and source pressure. The oscillating part of the beam flux intensity amounts several percent of the total flux. This new phenomenon has been studied for temperatures between 2.1 K and 1.3 K and pressures up to 30 bar above the melting pressure. The beam flux intensity has been recorded by the vacuum pressure in a pitot vacuum chamber. The jet velocity in the range of 200 m/sec indicates that surprisingly the beam is a liquid jet, whereas the conditions in the source correspond to the solid state. In this work mainly the behavior of the flux modulation has been studied as a function of pressure and temperature and the influence of the isotope Helium-3. Furthermore geometrical aspects such as the influence of the nozzle diameter d0 have been investigated. In order to explain this novel phenomenon a kinetic model based on the injection of excess vacancies into the solid is proposed. According to this model the vacancies are generated at a solid/liquid interface. Forced by drift and diffusion they accumulate at some distance from the orifice, leading to the collapse of the solid. With the subsequent re-injection of vacancies the effect repeats and turns out to be periodical. The reproducibility of the time dependent beam flux intensity is demonstrated for a wide range of temperatures and pressures and gives direct access to values such as the temperature and pressure dependence of the vacancy diffusion coefficient Dv in the range of 10 high -5 cm high 2/sec, the recombination time of vacancies with interstitials T r near 1-20 sec and the vacancy activation energy f near 20 K. The good agreement with former experimental results by Zuev et al. [131] confirms the applicability of the theoretical model. As a result from the kinetic model the vacancy concentration is increased above the equilibrium vacancy concentration, caused by the injection of excess vacancies. Therefore, the most important discovery is the possibility of generating a non-equilibrium quantum solid. The investigation of this non-equilibrium solid leads to the discovery of a fluid-like regime in the solid phase of Helium-4 at temperatures below T = 1.58 K. The result gives a strong indication for the supersolid state, especially because the fluid-like behavior of the solid can be eliminated with smallest concentrations of Helium-3.
This thesis is devoted to the study of Micro Structured Electrode (MSE) sustained discharges. Innovative approaches in this work are i) the implementation of MSE arrays for high-pressure plasma generation and ii) the use of diode laser atomic absorption spectroscopy for investigating sub-millimetric discharges. By means of MSE arrays the discharge gap is scaled down to the sub-millimetric range and accordingly the working pressure could be increased up to atmospheric. It should be underlined that besides the ease of use, since expensive vacuum equipment is not required, high-pressure discharges offer also a high density of active species. A MSE consists of holes, regularly distributed in a composite sheet made of two metal layers separated by an insulator. The electrodes and insulator thickness and the diameter of the holes are in the 100 micrometer range. Based on these microstructures stable non-filamentary DC discharges are generated in noble gases and gas mixtures at pressures up to 1000 mbar. The MSE sustained discharge can be considered as a normal glow discharge whereby the excitation and ionization efficiency is increased by the specific electrode configuration (hollow cathode geometry). Large area high-pressure plasma can be achieved by parallel operation of a large number of microdischarges. Parallel operation of up to 200 microdischarges without individual ballast was proven for pressures up to 300 mbar. Furthermore, arrays of resistively decoupled microdischarges were operated up to atmospheric pressure. Spectral investigations have revealed the presence of highly energetic electrons (20 eV), a large density of atoms in metastable states (1013 cm-3) and a high electron density (1015 cm-3). Although the plasma confined inside the hole of the MSE may reach gas temperatures up to 1000 K, the ambient gas temperature immediately above the microstructure exceeds only slightly the room temperature. The reactivity of the MSE sustained discharge was demonstrated in respect to waste gas decomposition and surface treatment. The MSE arrays are providing a non-equilibrium high-pressure plasma, which is very promising for surface processing, plasma chemistry and generation of UV radiation.
In this thesis I use effective models to investigate the properties of QCD-like theories at nonzero temperature and baryon chemical potential. First I construct a PNJL model using a lattice spin model with nearestneighbor interactions for the gauge sector and four-fermion interactions for the quarks in (pseudo)real representations of the gauge group. Calculating the phase diagram in the plane of temperature and quark chemical potential in QCD with adjoint quarks, it is qualitatively confirmed that the critical temperature of the chiral phase transition is much higher than the deconfinement transition temperature. At a chemical potential equal to half of the diquark mass in the vacuum, a diquark Bose–Einstein condensation (BEC) phase transition occurs. In the two-color case, a Ginzburg–Landau expansion is used to study the tetracritical behavior around the intersection point of the deconfinement and BEC transition lines which are both of second order. A compact expression for the expectation value of the Polyakov loop in an arbitrary representation of the gauge group is obtained for any number of colors, which allows us to study Casimir scaling at both nonzero temperature and chemical potential. Subsequently I study the thermodynamics of two-color QCD (QC2D) at high temperature and/or density using ZQCD, a dimensionally reduced superrenormalizable effective theory, formulated in terms of a coarse grained Wilson line. In the absence of quarks, the theory is required to respect the Z2 center symmetry, while the effects of quarks of arbitrary masses and chemical potentials are introduced via soft Z2 breaking operators. Perturbative matching of the effective theory parameters to the full theory is carried out explicitly, and it is argued how the new theory can be used to explore the phase diagram of two-color QCD.
In this thesis, we studied the single impurity Anderson model and developed a new and fast impurity solver for the dynamical mean field theory (DMFT). Using this new impurity solver, we studied the Hubbard model and periodic Anderson model for various parameters. This work is motivated by the fact that the dynamical mean field theory is widely used for the studies of strongly correlated systems, and the most frequently used methods, e.g. the quantum Monte-Carlo method (QMC), and the exact digonalization method are much CPU time consuming and usually limited by the available computers. Therefore, a fast and reliable impurity solver is needed. This new impurity solver was explored based on the equation-of-motion method (also called Green's function and decoupling method in some literature). Using the retarded Green's function, we first derived the equations of motion of Green's functions. Then, we employed a decoupling scheme to close the equations. By solving self-consistently the obtained closed set of integral equations, we obtained the single particle Green's function for the single impurity Anderson model. After that, the single impurity Anderson model was solved along with self-consistency conditions within the framework of DMFT. In this work, we studied and compared two decoupling schemes. Moreover, we also derived possible higher order approximations which will be tested in future work. Besides the theoretical work, we tested the method in numerical calculations. The integral equations are first solved by iterative methods with linear mixing and Broyden mixing, respectively. However, these two methods are not sufficient for finding the self-consistent solutions of the DMFT equations because converged results are difficult to obtain. Moreover, the computing speed of the two methods is also not satisfactory. Especially the iterative method with linear mixing costs always a lot of CPU time due to the required small mixing. Hence, we developed a new method, which is a combination of genetic algorithm and iterative method. This new method converges very fast and removes artifacts appearing in the results from the iterative method with linear and Broyden mixing. It can directly operate on the real axis, where no numerical error from the high frequency tail corrections and the analytical continuation is introduced. In addition, our new technique strongly improves the precision of the numerical results by removing the broadening. With this newly developed impurity solver and numerical technique, we studied the single impurity Anderson model, the single band Hubbard model and the periodic Anderson model with arbitrary spin and orbital degeneracy N on the real axis. For the single impurity Anderson model, the spectral functions are calculated for the infinite and finite Coulomb interaction strength. We also studied the spectral functions in dependence of the parameters of impurity position and hybridization. For the Hubbard model, we studied the bandwidth control and filling control Mott metal-insulator transition for spin and orbital degeneracy N = 2. It gives qualitatively the critical value of Coulomb interaction strength for the Mott metal-insulator transition, and the spectral functions which are comparable to those obtained in QMC and numerical renormalization group methods. We also studied the quasiparticle weight and the self-energy in metallic states. The latter shows almost Fermi liquid behavior. At last we calculated the densities of states for the Hubbard model with arbitrary spin and orbital degeneracy N. The periodic Anderson model (PAM) is also studied as another important lattice model. It was solved for various combinations of parameters: the Coulomb interaction strength, the impurity position, the center position of the conduction band, the hybridization, the spin and orbital degeneracy. The PAM results represents the physics of impurities in a metal. In short, our method works for the Hubbard model and the periodic Anderson model in a large range of parameters, and gives good results. Therefore, our impurity solver could be very useful in calculations within LDA+DMFT. Finally, we also made a preliminary investigation of the multi-band system based on the success in single band case. We first studied the two-band system in a simplified treatment by neglecting the interaction between the two bands through the bath. This has given promising numerical results for the two-band Hubbard model. Moreover, we have studied theoretically the two-band system with mean field approximation and Hubbard-I approximation in dealing with the higher order cross Green's functions which are related to both the two bands. In the mean field approximation, we even generalized the two-band system to arbitrary M=N/2 band system. Potential improvement can be carried out on the basis of this work.
Sensors for high rate charge particle tracking have to withstand the harsh radiation doses deposited by the particles to be sensed. This holds particularly for the novel CMOS Monolithic Active Pixel Sensors, which are considered a promising sensor technology for future vertex detectors due to their very light material budget and excellent spatial resolution. To resist the radiation doses expected close to the interaction regions of heavy-ion experiments, the sensors have to be hardened against radiation doses, which exceed the native tolerance of CMOS technology significantly. In this thesis, the results of non-ionizing radiation hardness studies at the IKF on sensor prototypes developed at the IPHC in Strasbourg are presented. Our results demonstrate that the CMOS sensors evaluated in the context of this thesis can withstand non-ionizing radiation of up to 5×10^14 neq/cm^2. This hardness qualifies them as promising candidates for use in future vertex detectors.
Elektron-Zyklotron-Resonanz-Ionenquellen dienen der Erzeugung von hochgeladenen Schwerionen. Die Erzeugung und Extraktion der Schwerionen beruht auf dem komplexen Zusammenspiel von physikalischen Prozessen aus der Atom, Oberflächen und Plasmaphysik sowie der Elektrodynamik. In dieser Arbeit werden grundlegende physikalische Prozesse in EZR-Ionenquellen experimentell untersucht, welche auf Grund der Komplexität bislang nicht vollständig verstanden sind. Als Schwerpunkt werden insbesondere die häufig angewendeten Methoden zur Steigerung der Ausbeute an hochgeladenen Ionen erforscht. Hierzu zählen die negativ vorgespannte Scheibe (eine Elektrode in axialer Nähe des Plasmas, biased Disk), die Beschichtung der Plasmakammerwände mit Isolatoren (Wall coating) und die Gasbeimischung von leichteren Gasen zum eigentlichen Arbeitsgas. Die Untersuchungen wurden an der Frankfurter EZR-(VE)RFQ-Beschleunigeranlage durchgeführt und mit aktuellen Theorien sowie Messungen an anderen EZR-Ionenquellen verglichen. Zur Diagnose wird erstmals die negativ vorgespannte Scheibe im gepulsten Betrieb eingesetzt, um die dynamische Auswirkung dieser Scheibe auf den Ionisationsprozeß und die Ionenextraktion zu studieren. Als erstaunlichstes Ergebnis wird die bisher vermutete und in der Literatur dargestellte physikalische Wirkungsweise der biased Disk, nämlich die Erhöhung der Plasmadichte und eine Verbesserung des Ionisationsprozesses, widerlegt. Dieses Ergebnis wird durch Messungen der Quellenemittanz, des dynamischen Ionisationsverlaufes durch Injektion von kurzen Neutralteilchenpulsen mittels Laserablation, der Spektroskopie der Röntgenbremsstrahlung und der optischen Spektroskopie des sichtbaren Lichtes bestätigt. Als neue Hypothese für die physikalische Auswirkung der negativ vorgespannten Scheibe auf die Ausbeute an hochgeladenen Schwerionen wird eine axiale Elektronenverteilung angenommen. Diese entsteht aus axial oszillierenden Elektronen, welche in einem Potentialtopf zwischen der negativ vorgespannten Scheibe und dem Extraktionsbereich der Ionenquelle eingeschlossen sind. Radial werden diese Elektronen durch die Magnetfeldlinien der beiden Magnetspulen geführt. Diese Elektronenverteilung beeinflußt die Ionendiffusion aus dem EZR-Plasma und die Ionenstrahlformierung im Extraktionsbereich der Ionenquelle positiv. In dieser Arbeit wird zudem gezeigt, daß die gezielte Steuerung der Ionenextraktion durch die vorgespannte Scheibe (biased Disk) mit sehr geringem Aufwand möglich ist. Insbesondere durch Pulsung der Disk-Spannung ist die Extraktion von gepulsten Ionenstrahlen aus einer EZR-Ionenquelle mit bislang nicht erreichten Wiederholungsfrequenzen möglich (bis einige 10 kHz). Die Ionenpulse weisen zudem höhere Intensitäten im Vergleich zur kontinuierlichen Extraktion auf. Eine weitere angewendete Diagnosemethode ist die Injektion von kurzen Pulsen an Neutralteilchen in das EZR-Plasma mit dem Ziel, die Ionenerzeugung und die Ionenextraktion zeitaufgelöst zu studieren. Die Neutralteilchenpulse werden mit Hilfe der Laserablation erzeugt und im EZR-Plasma sukzessive ionisiert. Das zeitliche Verhalten der extrahierten Ionen gibt Ausschluß über die Dynamik des Ionisationsprozesses, den Ioneneinschluß und die Extraktion der Ionen. Hierbei werden die Auswirkungen der Mikrowellenleistung, des Quellengasdruckes, der Gaszusammensetzung und der negativ vorgespannten Scheibe auf die Erzeugung von hochgeladenen Ionen in einer EZR-Ionenquelle untersucht. Auch diese Messungen werden durch die Untersuchung der Röntgenbremsstrahlung und der optischen Spektroskopie des sichtbaren Lichtes vervollständigt. Außerdem wird der Einfluß der injizierten Neutralteilchenpulse auf das bestehende Plasma in der Ionenquelle gemessen. Neben der Plasmadiagnose durch die Injektion von Neutralteilchenpulsen mittels Laserablation wurde auch die Erzeugung von gepulsten Strahlen hochgeladener Ionen verschiedenster Festkörperelemente untersucht. Es wird gezeigt, daß durch einen einfachen Versuchsaufbau hochgeladene Ionen von nahezu allen Festkörpern erzeugt werden können. Durch den Einsatz von speziellen Aluminium-Hohlzylindern mit metalldielektrischer Beschichtung (AlAl 2 O 3 ) in der Plasmakammer der EZR-Ionenquelle (Wall coating) und der dadurch gezielten Beeinflussung der Plasma-Wand-Wechselwirkung kann die Ausbeute an hochgeladenen Schwerionen (z. B. Ar 16 ) um bis zu einem Faktor 50 gesteigert werden. Die in dieser Arbeit angewandten Diagnosemethoden und das dadurch erzielte bessere Verständnis der physikalischen Prozesse und der Dynamik im EZR-Plasma ermöglichen die Erhöhung der Ausbeute an hochgeladenen Ionen, die effektive Erzeugung von hochgeladenen Festkörperionen und die Extraktion von gepulsten Ionenstrahlen mit bisher nicht erreichten Wiederholungsfrequenzen.
Im NA49-Experiment wird der hadronische Endzustand von Kern und Protonen induzierten Reaktionen gemessen, um die Eigenschaften von Kernmaterie unter extremen Bedingungen zu untersuchen. Dabei stellt die Flugzeitmessung ein wichtiges Instrument zur Teilchenidentifizierung dar. Der von Yu.N. Pestov 1971 erstmal vorgestellte und nach ihm benannte Pestov-Zähler ist ein gasgefüllter Parallelplatten-Zähler, der im Funken/Überschlag-Modus betrieben wird. Die Besonderheit dieses Zählers ist die Lokalisierung der Entladung, die durch eine Anode aus halbleitendem Glas mit einem hohen spezifischen Widerstand und ein Zählgas mit großer Photonen-Absorption erreicht wird. In der Protonenstrahlzeit 1997 wurde der PesTOF-Detektor (Pestov Time Of Flight) bestehend aus zwölf einzelnen Zählern, erstmals im Vertex-1 Magneten des NA49-Experimentes eingesetzt. Neben der guten Zeitauflösung sind die Unempfindlichkeit gegenüber dem magnetischen Feld und die gute Ortsauflösung die auch bei großen Spurdichten ein korrektes Zuordnen der Treffer ermöglicht, die Voraussetzungen für diesen Einsatz. Der kinematische Akzeptanzbereich für die Identifikation von Pionen liegt bei Rapiditäten von y ~ 2-5 - 3 und Tranzversalimpulsen von pt <= 500 MeV/c. Der Akzeptanzbereich der Kaonen liegt bei einer Rapidität von y ~ 2 und Tranzversalimpulsen von pt <= 500 MeV/c. Der Detektor konnte über den gesamten Zeitraum stabil und zuverlässig betrieben werden. Die gemessene gaußförmige Zeitauflösung beträgt 78 ps, wobei die Hochspannung die 1.5fache Schwellenspannung betrug. Neben dem gaußförmigen Anteil der Zeitauflösung zeigt der Detektor jedoch auch einen asymmetrischen nicht gaußförmigen Anteil ("Tail"). Aufgrund einer verzögerten Funkenentwicklung im Zähler liegen etwa 12.6% der Signale außerhalb der gaußförmigen Verteilung bzw. sind etwa 4% der Signale um mehr als 500 ps verspätet. Neuere Untersuchungen mit anderen Zählgasen und Zählergeometrien haben gezeigt, dass der Anteil der verzögerten Signale in Zukunft deutlich reduziert werden kann. Der Verlauf der gemessenen pt und mt-Verteilungen der identifizierten Kaonen und Pionen kann durch Simulationen mit dem VENUS-Modell reproduziert werden. Mit der möglichen Verbesserung der Zeitauflösung und dem geplanten Ausbau des PesTOF-Detektors mit bis zu 80 einzelnen Zählern wird der Impuls- und Akzeptanzbereich, in dem Teilchen identifiziert werden können, deutlich vergrößert werden. Die Messungen dieser Arbeit geben einen Ausblick darauf dass es in Zukunft möglich sein wird, relevante physikalische Größen mit dem PesTOF-Detektor im NA49-Experiment zu messen. Insbesondere in nicht symmetrischen Stoßsystemen ist der Einsatz von Flugzeitdetektoren in dem rückwärtigen kinematischen Bereich der Reaktion interessant. Mit den in dieser Arbeit gefundenen positiven Eigenschaften und den sich abzeichnenden Modifikationen am Zählgas und Zähler ist der Pestov-Zähler ein interessanter Detektor für zukünftige Experimente.
Im Rahmen dieser Arbeit werden verschiedene Modellsysteme untersucht, die Metriken der klassischen Allgemeinen Relativitätstheorie mit Erweiterungen vergleichen, in denen Ereignishorizonte nicht existieren müssen. Die untersuchten Korrekturterme sind durch Schwachfeldmessungen, wie sie zum Beispiel in unserem Sonnensystem durchgeführt werden, nicht überprüfbar. Es ist deshalb nötig solche Systeme zu betrachten, in denen die vollständigen Gleichungen berücksichtigt werden müssen und keine Entwicklungen für schwache Felder gemacht werden können. Es gibt eine Reihe von astrophysikalischen Systemen, die diese Bedingungen erfüllen, wie das Galaktische Zentrum oder Doppelsternsysteme.
Im zweiten Kapitel der Arbeit werden Testteilchenorbits in einem Zentralpotential beschrieben und Unterschiede zwischen der klassischen und einer modifizierten Kerr-Metrik herausgearbeitet. Drei neue Phänomene der modifizierten Metrik gegenüber der Klassischen treten hier in Erscheinung. Zum einen haben Teilchen, die sich auf prograden Bahnen um den Zentralkörper drehen, ein Maximum in ihrer Winkelgeschwindigkeit. Zum anderen ist das Phänomen des frame-draggings deutlich schwächer ausgeprägt. Schließlich tritt ein letzter stabiler Orbit für entsprechend schnell rotierende Zentralkörper nicht mehr auf. Gleichzeitig sind die Unterschiede in den beiden Metriken für große Abstände (r > 10m) nahezu vernachlässigbar. In Kapitel 3 werden diese Ergebnisse auf zwei unterschiedliche Modelle zur Beschreibung von Akkretionsscheiben angewendet. Untersucht wird zum einen das Verhalten der Eisen-Kα-Emissionslinie und zum anderen der Energiefluss aus einer Akkretionsscheibe.
In der Form der Eisen-Kα-Emissionslinie gibt es eine deutliche Zunahme des rotverschobenen Anteils der Strahlung in der modifizierten Kerr-Metrik gegenüber der klassischen Kerr-Metrik. Die Akkretionsscheibe nach Page und Thorne zeigt unter Verwendung der modifizierten Kerr-Metrik eine signifikante Erhöhung der abgestrahlten Energie, wenn der Zentralkörper so schnell rotiert, dass kein letzter stabiler Orbit mehr auftritt. Zusätzlich gibt es hier in der Scheibe einen dunklen Ring im Vergleich zu den Bildern höherer Ordnung, die in der klassischen Kerr-Metrik auftreten. Erklärbar sind diese Phänomene dadurch, dass sich Teilchen auf stabilen Bahnen in der modifizierten Kerr-Metrik näher an den Zentralkörper heran bewegen können, als es in der klassischen Kerr-Metrik der Fall ist. Die Rotverschiebung ist für beide Fälle annäherend gleich.
Kapitel 4 gibt eine kurze Einführung in die Beschreibung von Gravitationswellen im Rahmen der linearisierten Allgemeinen Relativitätstheorie. Hier wird als Modell ein Binärsystem, wie etwa der Hulse-Taylor-Pulsar, betrachtet. Die Unterschiede zwischen der klassischen Theorie und einer Beschreibung unter Hinzunahme von Zusatztermen sind hier erwartungsgemäß sehr gering, da die Linearisierung der Gleichungen dazu führt, dass Starkfeldeffekte vernachlässigt werden. Für große Abstände, was in diesem Fall auch schwache Felder impliziert, sind die Erweiterungen der Gleichungen vernachlässigbar. Hier werden zum Teil auch Effekte in der klassischen ART vernachlässigt.
In Kapitel 5 befindet sich ein kurzer Ausblick in die 3+1-Formulierung der Einsteingleichungen für die numerische Beschreibung von Gravitationsphänomenen. Diese Beschreibung ermöglicht es auch komplexe Systeme ohne viele nähernde Annahmen genau beschreiben zu können. Diese Systeme können zum einen Akkretionsscheiben um kompakte Objekte sein, aber auch die Verschmelzung von zwei massiven Objekten und die damit verbundenen Gravitationswellensignale. Dadurch lassen sich die Vorhersagen der ART oder etwaiger Erweiterungen präziser modellieren.
Die vorgestellten Ergebnisse liegen innerhalb der Einschränkungen durch aktuelle Messungen. Zukünftige Messungen wie genauere Beobachtungen des Galaktischen Zentrums durch das Event Horizon Telescope sind aber voraussichtlich dazu in der Lage zwischen den untersuchten Metriken zu unterscheiden.
This thesis presents the first measurement of the proton capture reaction on the isotope 124Xe performed in inverse kinematics. The experiment was carried out in June 2016 at the Experimental Storage Ring (ESR) at the GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research in Darmstadt, Germany.
124Xe is one of about 35 p-nuclei that cannot be produced via neutron-induced nucleo- synthesis as the vast majority of heavy elements. Its production and destruction provide important information about the nucleosynthesis of the p-nuclei. Measuring the 124Xe(p,g)125Cs reaction also gives strong constraints for its reverse 125Cs(g,p)124Xe reaction.
Fully stripped 124Xe ions repeatedly passed a H2 gas jet target at five different energies between 5.5 MeV/u and 8 MeV/u. An electron cooler compensated for the energy loss in the target and reduced the beam momentum spread. The reaction product 125Cs55+ has a smaller magnetic rigidity than 124Xe54+. Therefore 125Cs55+ was deflected towards smaller radii in the first dipole after the target area and thereby separated from 124Xe54+. It was detected with a position-sensitive Double-Sided Silicon Strip Detector (DSSSD). The novelty of this experiment was the installation of the DSSSD inside the ultra-high vacuum of the storage ring using a newly designed manipulator.
Three High-Purity Germanium X-ray detectors were used to measure the X-rays following the Radiative Electron Capture (REC) events into 124Xe53+. The REC cross sections are well-known and were used to determine the luminosity.
The 124Xe(p,g)125Cs cross sections at ion beam energies between 5.5 MeV/u and 8 MeV/u were determined relatively to the K-REC cross sections and finally compared to the theoretically predicted cross sections. While theoretical predictions of the TENDL database are lower than the measured ones by a factor of up to seven, the NON-SMOKER data are higher by a factor of up to two, except of the cross section at 7 MeV/u, where NON-SMOKER data are slightly lower than the experimental value.
For the first time, a proton capture cross section could be measured in inverse kinematics close to the astrophysically relevant Gamow window. This allows the direct determination of the (p,g) cross section of isotopes with half-lives down to several minutes, which is not possible with any other technique.
Within the nucleosynthetic processes of the slow neutron-capture reaction network (called the s process) the so called branching points, unstable isotopes where different nuclear reactions are competing, are important to understand . For modeling and calculating the nucleosynthesis and compare the resulting abundances to the observed ones, it is indispensable to know the branching ratios as well as the corresponding cross sections.
A great challenge in measuring those rates in experiments may be the radioactivity of the isotopes involved, which can make it nearly impossible to manufacture the needed targets. In addition, in stellar environments the excited states of isotopes can be in equilibrium with the ground state, affecting the half-lives and the branching ratios significantly. The isotope 152Eu is such a branching point, with neutron captures and β-decays competing. Those challenges were approached in the s405 experiment performed at the GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH: the challenge the challenge of the radioactivity can be approached by experiments carried out in inverse kinematics with radioactive beams, solving the problem of unstable targets. Also a reversed reaction was used to access the excited states of the studied isotope. The performed 152Sm(p,n)152Eu is a pioneering attempt to use those methods on heavy ions. The (p,n) reaction was used as a substitute for electron capture, the focus lies on reactions with low-momentum transfers, resulting in the emission of low-energy neutrons. The new developed low-energy detector array LENA was put to test for the fist time in the s405 experiment.