Zur Modellierung der Ausbreitung von Aktionspotentialen im menschlichen Vorhof wurde in der Vergangenheit eine Vielzahl von Modellen entwickelt, welche den Einfluss der zahlreichen Ionenströme, die durch die Zellmembran fließen, im Detail berücksichtigen. Mit dem Ziel einer vereinfachten Beschreibung ist kürzlich das Modell von Bueno-Orovio, Cherry und Fenton (BOCF-Modell) an die Elektrophysiologie des Vorhofs angepasst worden, welches ursprünglich für die elektrische Erregungsausbreitung in den Herzkammern entwickelt wurde. In dieser Arbeit wird dieses angepasste BOCF-Modell in Bezug auf seine Fähigkeit untersucht, raum-zeitliche Erregungsmuster zu erzeugen, die beim anatomischen und spiralförmigen Reentry gefunden werden. Hierzu werden die Ergebnisse des BOCF-Modells mit denen des detaillierten Modells von Courtemanche, Ramirez und Nattel (CRN-Modell) verglichen. Es zeigt sich, dass die charakteristischen Merkmale von Reentry-Mustern im CRN-Modell gut mit dem BOCF-Modell wiedergegeben werden. Dies eröffnet die Möglichkeit, die Ursprünge des Vorhofflimmerns basierend auf einer vereinfachten, aber immer noch zuverlässigen Beschreibung der Elektrophysiologie zu untersuchen. Eine effektive Methode wird entwickelt, um empirische Aktionspotentiale von Patienten in den menschlichen Vorhöfen anhand des BOCF-Modells zu modellieren. Grundlage dieser Methode ist die Anpassung von drei relevanten Zeitkonstanten im BOCF-Modell mit Hilfe eines nicht-linearen Optimierungsverfahrens. Die Methode ermöglicht, spezifische Aktionspotentiale mit einer gegebenen Amplitude, Breite und Form zu reproduzieren. Sie kann als Prädiktor für pathologische Befunde verwendet werden.

Getriebener Transport wechselwirkender Teilchen ist im direkten oder übertragenen Sinne von großer Bedeutung für viele Forschungsfelder. Zur Untersuchung grundlegender Fragestellungen wird auf einfache Modellsysteme zurückgegriffen, die analytische Zugänge ermöglichen und zugleich wesentliche Aspekte der Nichtgleichgewichtsdynamik in realen Applikationen erfassen. Im ersten Teil dieser Arbeit wird ein eindimensionales Gittergas mit Nächsten-Nachbar-Wechselwirkungen betrachtet, um den Einfluss von Wechselwirkungen auf den Teilchentransport in getriebenen Diffusionsprozessen zu studieren. Mit einem auf der zeitabhängigen Dichtefunktionaltheorie klassischer Fluide basierenden Verfahren werden Evolutionsgleichungen für Dichten, Korrelationsfunktionen und Ströme aufgestellt, deren numerische Lösung eine gute Beschreibung der Transportkinetik liefert. Für Sprungdynamiken, welche bestimmte Relationen erfüllen, werden exakte Strom-Dichte-Beziehungen in geschlossenen Ringsystemen hergeleitet. Hierzu zählen insbesondere die für viele Applikationen relevanten Glauber-Raten. In offenen Kanälen, die zwei Reservoire verbinden, kommt es zu Phasenübergängen der Teilchendichte im Inneren des Kanals. Anhand allgemeiner Überlegungen auf Grundlage der Extremalprinzipien bezüglich des Stroms und der Strom-Dichte-Relation im Bulk kann ein Überblick aller möglichen Phasen, ungeachtet der konkreten System-Reservoir-Kopplung, erhalten werden. Welche Phasen im randinduzierten Phasendiagramm erscheinen, wird durch die System-Reservoir-Kopplung festgelegt. Dies wird anhand zweier unterschiedlicher Randankopplungen demonstriert. Im zweiten Teil der Dissertationsschrift werden stochastische Transportvorgänge in Brownschen Pumpen und in organischen Solarzellen mit Heteroübergang modelliert. Hierbei zeigen Brownsche Pumpen Phasenübergänge in periodengemittelten Dichten und Strömen, falls Ausschlusswechselwirkungen berücksichtigt werden. Ein Minimalmodell organischer Solarzellen erlaubt Elementarprozesse an der Donator-Akzeptor-Grenzfläche abzubilden, wodurch Einblicke in das Strom- und Effizienzverhalten des photovoltaischen Systems gewonnen werden.

The origin of the Mixed Glass Former Effect (MGFE) is studied, which manifests itself in a non-monotonic behavior of the activation energy for long-range ion transport as a function of the mixing ratio of two glass formers. Two theoretical models are developed, the mixed barrier model and the network unit trap model, which consider different possible mechanisms for the occurrence of the MGFE. The mixed barrier model is based on the assumption that energy barriers are reduced for ionic jumps in regions of mixed composition. By employing percolation theory it is shown that this mechanism can successfully account for the behavior of the activation energy in various ion conducting mixed glass former glasses. The network unit trap model is based on the fact that a variety of network forming units, the so-called Q(n) species, can be associated with one glass former. Using a thermodynamic approach, the change of the concentration of these units in dependence of ionic concentration and the glass former mixing ratio is successfully predicted for alkali borate, phosphate and borophosphate glasses. In a second step, the charge distribution of the various units is considered and related to it, the binding energies to alkali ions. This gives rise to a modeling of the ionic transport in an energy landscape that changes in a defined manner with the glass former mixing ratio. Kinetic Monte Carlo simulations for alkali borophosphate glasses, which serve as a representative system for the MGFE in the literature, demonstrate that this approach succeeds to predict the behavior of the activation energy. In a further part of the thesis, Reverse Monte Carlo (RMC) simulations for the atomic structure of sodium borophosphate glasses are carried out with X-ray and neutron diffraction data as further input from experiments. Three-dimensional structures could be successfully generated that are in agreement with all experimental and theoretical constraints. Volume fractions of the ionic conduction pathways determined from these structures, however, do not show a substantial relationship to the activation energy, as earlier proposed in the iterature for alkali borate and alkali phosphate glasses.

The first part of the present Phd thesis is devoted to transport investigations in disordered quantum systems. We aim at quantitatively determining transport parameters like conductivity, mean free path, etc., for simple models of spatially disordered and/or percolated quantum systems in the limit of high temperatures and low fillings using linear response theory. We find the transport behavior for some models to be in accord with a Boltzmann equation, i.e., long mean free paths, exponentially decaying currents although there are no band-structures to start from, while this does not apply to other models even though they are also almost completely delocalized. The second part of the present PhD thesis addresses the issue of initial state independence (ISI) in closed quantum system. The relevance of the eigenstate thermalization hypothesis (ETH) for the emergence of ISI equilibration is to some extent addressed. To this end, we investigate the Heisenberg spin-ladder and check the validity of the ETH for the energy difference operator by examining the scaling behavior of the corresponding ETH-fluctuations, which we compute using an innovative numerical method based on typicality related arguments. While, the ETH turns out to hold for the generic non-integrable models and may therefore serve as the key mechanism for ISI for this cases, it does not hold for the integrable Heisenberg-chain. However, close analysis on the dynamic of substantially out-of-equilibrium initial states indicates the occurrence of ISI equillibration in the thermodynamic limit regardless of whether the ETH is violated. Thus, we introduce a new parameter $v$, which we propose as an alternative of the ETH to indicate ISI equillibration in cases, in which the ETH does not strictly apply.

In dieser Arbeit setzen wir ab-initio-Methoden zur Untersuchung einiger Oberflächensysteme und eines Bulksystems ein. Im Wesentlichen greifen wir hierbei auf die Dichtefunktionaltheorie (DFT) und die GW-Approximation (GWA) im Rahmen der Vielteilchenstörungstheorie zurück. Wir nutzen diese Methoden um die Adsorption von TMA auf der Rutil TiO2-Oberfläche zu untersuchen, optische Spektren von TiO2 zu berechnen und um die Adsorption von [7]-HCA auf der Calcit(10-14)-Oberfläche zu verstehen. Weiterhin beschäftigen wir uns intensiv mit PTCDA auf Ag(111), welches mit einer chemisch kontaktierten STM-Spitze manipuliert wird.