Im Rahmen der Dichtematrixtheorie wurde die dissipative Exzitonendynamik in photosynthetischen Pigment--Protein-- Komplexen untersucht. Es konnten zwei verschiedene Modelle entwickelt werden. In einem ersten Effektivmoden--Modell wird eine Kopplung der Pigmente an eine effektive Proteinmode pro Pigment behandelt. Die volle Quantendynamik der effektiven Moden findet Ber\"ucksichtigung. Auf diese Weise ist das Modell in der Lage, koh\"arente Kerndynamik und Ged\"achtnisseffek te in der Exziton--Schwingungswechselwirkung zu beschreiben. Diese Effekte treten in einer st\"ohrungstheoretischen Beschreibung in Form von Ged\"achtnisintegralen in den Bewegungsgleichungen f\"ur die dynamischen Variablen auf und werden oft im Rahmen einer {\it Markov} N\"aherung vernachl\"assigt. In einer nichtst\"ohrungstheoretischen Behandlung der Exziton--Schwingungswechselwirkung sind {\it nicht--Markov} Effekte nat\"urlicherweise enthalten. Die restlichen niederfrequenten Schwingungsmoden der Proteine und h\"oherfrequenten intramolekularen Moden der Pigmente werden als W\"armebad behandelt. Die Kopplung der Pigmente und effektiven Proteinmoden an das W\"armebad wird st\"ohrungstheoretisch (in zweiter Ordnung)beschrieben. Diese Wechselwirkung umfa\ss t(i) eine D\"ampfung der Dynamik der effektiven Moden, (ii) die Modulation der {\it Coulomb}--Wechselwirkung zwischen den Pigmenten und (iii) interne Konversion zwischen den h\"oherangeregten $S_n$--Zust\"anden und den ersten angeregten Singlet $S_1$--Zust\"anden der Pigmente. In einem zweiten sogenannten Multimoden--Modell wurde die gesamte Exziton-- Schwingungswechselwirkung st\"ohrungstheoretisch behandelt, und die Standard {\it Redfield}--Theorie fand Anwendung in der Darstellung der Multiexzitoneneigenzust\ "ande. In diesem Modell l\"a\ss t sich Exzitonenrelaxation durch die kopplungsgewichtete Zustandsdichte (sogenannte Spektraldichte) der niederfrequenten Proteinmoden, welche ein W\"armebad bilden, beschreiben. Die Standard {\it Redfield}--Theorie wurde bereits in \cite{Kueh97} auf einen anderen Pigment--Protein Komplex (LH-2) angewendet. Das Neue an dem hiergew\"ahlten Zugang besteht in der Formulierung eines Korrelationsradius der Proteinschwingungen. Dieser gibt an wie die Kopplungen unterschiedlicher Pigmente an ihre lokalen Proteinumgebungen korreliert sind. Die Multiexzitonenspektraldichte der Proteine kann mittels des Korrelationsradius auf molekulare Spektraldichten der lokalen Kopplungen der Pigmente zur\"uckgef\"uhrt werden. Diese wurden f\"ur alle Pigmente als gleich angenommen, und die Theorie wurde so formuliert, da\ss{} Exzitonenrelaxation zu einer Globalanalyse der Spektraldichte der Proteinschwingungen benutzt werden kann. F\"ur die numerische Behandlung konnte eine effiziente Propagationsmethode der Dichte\-matrix entwickelt werden. Diese gestattet eine nichtst\"ohrungstheoretische Behandlung externer Felder und eine Unterscheidung der verschiedenen r\"aumlichen Anteile der lichtinduzierten Polarisationswelle. Dies wurde durch eine Entwicklung der Dichtematrix nach den Tr\"agerwellen der externen Felder erreicht. Die hohe Effizienz dieser Methode beruht auf der Abwesenheit der hochfrequenten Anteile der externen Felder. Lediglich die Einh\"ullenden der Lichtfelder treten in den Bewegungsgleichungen f\"ur die Entwicklungskoeffizienten der Dichtematrix auf. Diese Methode gestattete es bis zu 9 elektronische Zust\"ande gekoppelt an zwei effektive Moden zu ber\"ucksichtigen. Bislang konnten in der Literatur lediglich Modelle mit bis zu 3 elektronischen Zust\"anden und zwei effektiven Moden behandelt werden \cite{Matr95}. Die ultraschnelle Exziton--Schwingungs--Dynamik in einem Chl{\it a/b} Heterodimer des Lichtsammelkomplexes LHC-II gr\"uner Pflanzen wurde im Effektivmoden--Modell untersucht. Aus der Simulation der zweifarbigen Pump--Test--Spektren von \cite{Bitt94} konnten Schlu\ss folgerungen zur Lage der optischen \"Ubergangsdipolmomente des Chl{\it a} und des Chl{\it b} Pigments (welche bei 680 nm und 650 nm absorbieren) getroffen werden. Die Dipole sind eher in {\it in line} als in {\it sandwich} Geometrie angeordnet. Die gemessene Femtosekunden Komponente im Pump--Test--Signal kann auf die, durch die {\it Coulomb}--Wechselwirkung induzierte, Umverteilung der Oszillatorst\"arke innerhalb der Ein-- und Zwei--Exzitonen\"uberg\"ange zur\"uchgef\"uhrt werden. Durch die Einbeziehung h\"oherangeregter Singlet $S_n$--Zust\"ande der Pigmente und interner--Konversionsproz esse zwischen diesen und den $S_1$--Zust\"anden war eine mikroskopische Beschreibung von Exziton--Exziton Annihilation m\"oglich. Im Rahmen dieser Beschreibung konnten die intensit\"atsabh\"angigen zweifarbigen Pump--Test--Spektren von \cite{Bitt94} simuliert werden. Die Simulation ergab eine interne Konversionsrate $1/R^{(\rm IC)}_{S_n\rightarrow S_1}=2.2$ ps und ein Verh\"altnis der Dipolmomente der Pigmente $\mu_{S_1\rightarrow S_n}/\mu_{S_0 \rightarrow S_1}=$1.19. Mit einem einheitlichen Parametersatz konnten neben den zweifarbigen Pump--Test--Spektren auch die 77 K einfarbigen Pump--Test--Spektren von \cite{Viss96}erfolgreich simuliert werden.Wiederum erkl\"art die Umverteilung der Oszillatorst\"arke durch die {\it Coulomb}--Wechselwirkung den Verlauf des gemessenen Signals. Nach etwa 2 ps \"andert dieses sein Vorzeichen. In dieser Zeit findet die Exzitonenrelaxation zwischen dem hochenergetischen und dem niederenergetischen Ein--Exzitonenniveau des Dimers statt und von diesem wird ein Zwei--Exzitonen\"ubergang mit hoher Oszillatorst\"arke m\"oglich.Um den Einflu\ss{} von intramolekularer angeregter Zustandsabsorption zu untersuchen, wurde der h\"oherangeregte $S_n$--Zustand von Chl{\it a} energetisch in Resonanz zum Testpuls gebracht. Eine zus\"atzliche Umverteilung von Oszillatorst\"arke unter den Zwei--Exzitonen\"uberg\"angen wurde gefunden. Der Haupteffekt tritt jedoch schon bei Ber\"ucksichtigung von zwei elektronische Zust\"anden pro Pigment auf. Schlie\ss lich konnte gezeigt werden, da\ss{}, falls die effektiven Moden ebenfalls st\"ohrungstheoretisch (im Rahmen des W\"armebades) behandelt werden, die Berechnung der Pump--Test--Signale signifikant schlechtere \"Ubereinstimmung mit den gemessenen Daten ergibt. Es konnte lediglich \"Ubereinstimmung auf einer Femtosekunden-- oder einer Pikosekundenzeitskala erreicht werden. F\"ur eine konsistente Beschreibung \"uber den gesamten Zeitverlauf hinweg, m\"ussen Ged\"achtniseffekte in der Exziton--Schwingungswechselwirkung Ber\"ucksichtigung finden. Es gilt jedoch zu beachten, da\ss{} die Wechselwirkung des Chl{\it a/b} Dimers mit den restlichen Pigmenten des LHC-II Monomers vernachl\"assigt wurde. Deshalb w\"are es sehr aufschlu\ss reich die im Rahmen des Effektivmoden--Modells erzielten Resultate, mit einem Multimodenzugang unter Ber\"ucksichtigung aller 12 Pigmente des LHC-II Monomers zu vergleichen. Eine Hauptschwierigkeit bei diesem Vorgehen stellt die Unkenntnis der genauen Geometrie der optischen \"Ubergangsdipolmomente der Pigmente im LHC-II dar. Deshalb ist es schwierig die {\it Coulomb}--Wechselwirkung zwischen den Pigmenten abzusch\"atzen. Erste Absch\"atzungen der Dipolgeometrien der Chl{\it a} Pigmente wurden k\"urzlich in \cite{Guel97} ver\"offentlicht. Man k\"onnte diese Absch\"atzungen, mit den hier erzielten Ergebnissen kombinieren. Die Chl{\it b} Dipole m\"u\ss ten demnach so orientiert werden, da\ss{} in den Chl{\it a/b} Dimeren {\it inline} Geometrie vorliegt. Jedoch k\"onnen erste Simulationen im Multimoden-Modell diesen Ansatz bis jetzt nicht best\"atigen. F\"ur den bakteriellen FMO--Komplex erlaubte die Strukturanalyse die Angabe der optischen \"Ubergangsdipolmomente der 7 Bakteriochlorophylle \cite{Tron85,Li97}. Im Standardzugang der Simulation linearer Spektren von FMO-Komplexen wurden die homogenen Linienbreiten der Exzitonen\"uberg\"ange stets vernachl\"assigt \cite{Pear92,Pear93,guelen97,Louw97}. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit konnte ein mikroskopisches Modell der Exzitonenrelaxation, formuliert im Multimoden--Modell, zur Berechnung realistischer homogener Exzitonen--Linienbreiten benutzt werden. Die verwendete Dichtematrixtheorie erlaubte dar\"uberhinaus auch die Simulation der Temperaturabh\"angigkeit optischer Spektren.So war ein simultaner Fit der linearen Absorption, gemessen in \cite{Frei97}, bei zwei verschiedenen Temperaturen essentiell, um den richtigen mikroskopischen Parametersatz zu finden. Dieser Parametersatz, welcher nachher in der Simulation von nichtlinearen zeitaufgel\"osten Pump--Test--Signalen verifiziert werden konnte, umfa\ss t die lokalen sogenannten {\it site} Energien der 7 BChl Molek\"ule, die globale Form der Spektraldichte der Proteinschwingungen und den Korrelationsradius der Exziton--Schwingungswechselwirkung. F\"ur letzteren wurde der Wert $R_c=21 \AA$ bestimmt, welcher zwischen kleinsten (11\AA) und gr\"o\ss ten (30 \AA) Pigmentabst\"anden im FMO--Monomer liegt. Somit kann die Kopplung der Proteinschwingungen an verschiedene Pigmente als teilkorreliert bezeichnet werden. Die Abh\"angigkeit der Exzitonenrelaxation und der linearen Absorptionsspektren von $R_c$ wurde untersucht. Als genereller Trend zeigte sich, da\ss{} die Exzitonenrelaxation umso schneller verl\"auft, je kleiner der Korrelationsradius ist. Mit demselben Zugang und denselben Parametern konnten in der Folge ultraschnelle zweifarbige Pump--Test--Experimente, durchgef\"uhrt von \cite{Frei97} bei 20 K, erfolgreich simuliert werden. Die gute \"Ubereinstimmung mit den gemessenen Daten bei den verschiedenen Testwellenl\"angen erlaubt es, die St\"arke der intramolekularen angeregten Zustandsabsorption der Pigmente im FMO--Protein abzusch\"atzen. Ein Verh\"altnis $\mu_{S_1\rightarrow S_n}/\mu_{S_0\rightarrow S_1}=0.5$ der optischen \"Ubergangsdipolmomente ergab den besten Fit. Dieser Parameter war der einzigste, der nicht aus den linearen Spektren ermittelt werden konnte, da er lediglich in nichtlinearen optischen Experimenten auftritt. Eine genauere Pr\"ufung der Pump--Test--Simulationen ergibt Abweichungen von den gemessenen Daten f\"ur kleine Verz\"ogerungszeiten ($ / The dissipative dynamics of excitons in photosynthetic pigment--protein--complexes has been investigated in the framework of the density matrix theory. Two different model pigment--protein--complex Hamiltonians could be developed. In a first so called effective mode model the local coupling of the pigments to one effective protein mode per pigment has been considered. The full quantum motion of these effective modes was taken into account. In this way the model is capable to describe coherent nuclear motion and also memory effects in the exciton--vibrational interaction. The latter usually appear in a perturbation theory with respect to the exciton--vibrational interaction as memory integrals in the equation of motion for the dynamic variables. And often, a Markov approximation is applied, i.e. memory effects are neglected. In a non--pertubative treatment of the coupling between excitons and effective protein modes non-Markovian effects are of course included. The remaining low frequency modes of the protein and high frequency intramolecular modes of the pigments were treated as a heat bath. The coupling of pigments and effective protein modes to the heat bath was described in second order perturbation theory. This coupling includes (i) a damping of the motion of the effective modes, (ii) a modulating of the inter pigment {\it Coulomb} interactions, and (iii) internal conversion transitions between the higher excited singlet $S_n$--states and the first excited $S_1$--states of the pigments. The coupling to external light fields as well as the inter--pigment Coulomb interaction are included non--pertubatively. A microscopic description of exciton--exciton annihilation processes could be offered, which together with the non--pertubative inclusion of external fields allows to simulate the intensity dependence of non--linear optical spectra. In a second so called multi--mode model the whole exciton--vibrational interaction was described in second order perturbation theory, and the standard Redfield theory was applied in the representation of multi--exciton eigenstates of the pigment--protein--complex. Exciton relaxation in this model is characterized by the coupling weighted density of states (so called spectral density) of the low frequency protein vibrations, which form a multi--mode heat bath. The standard multi--level Redfield theory has been applied also in \cite{Kueh97} on another pigment--protein complex (LH-2). However, what is new in the present approach is the formulation of a correlation radius of protein vibrations. It enables one to charaterize how the couplings of different pigments with their local protein environments are correlated. The multi--exciton spectral density of the protein vibrations can be discussed in terms of the correlation radius and molecular spectral densities characterizing the local coupling of pigments and proteins. These spectral densities have been taken equal for all pigments, and the theory was formulated in such a way that exciton relaxation could be used for a global shape analysis of the spectral density of protein vibrations. An efficient propagation scheme for the density matrix could be developed. It allows for an exact inclusion of external fields and for a distinction of the different spatial contributions of the light induced polarization wave. An expansion of the density matrix with respect to the carrier waves of the external light fields has been carried out. The high efficiency of this method is due to the absence of the high frequency part of the external fields. Instead only the envelopes of the external fields enter the equation of motion for the expansion coefficients of the reduced density matrix. This efficient propagation scheme allowed for the treatment of up to 9 electronic states including two effective modes. Up to now in the literature a 3 electronic state system with two effective modes could be investigated \cite{Matr95}. The ultrafast exciton--vibrational dynamic in a Chla/b hetero dimer of the light--harvesting complex LHC-II of green plants has been studied within the effective mode model. From the simulation of the two--color pump--probe spectra of \cite{Bitt94} evidence could be obtained for the geometry of the optical transition dipoles of the Chla and Chlb pigments absorbing at 680 nm and 650 nm, respectively. They are arranged rather in line than like a sandwich. The measured femtosecond component in the pump--probe signal reflects the Coulomb interaction induced redistribution of oscillator strength among the one-- and the two--exciton transitions of the dimer. Changing the dipole geometry resulted in a qualitative change of the signal. The inclusion of higher excited singlet $S_n$--states of the pigments and internal conversion transitions to the first excited singlet $S_1$--states allowed for a microscopic description of exciton--exciton annihilation. Within this model the intensity dependence of the two--color pump--probe signal measured in \cite{Bitt94} could be simulated, revealing an inverse internal conversion rate of $1/R^{(\rm IC)}_{S_n\rightarrow S_1}=2.2$ ps, and a ratio of dipole moments $\mu_{S_1\rightarrow S_n}/\mu_{S_0\rightarrow S_1}=$1.19. The energy of the $S_n$--state has been taken twice the $S_1$--state energy for both pigments. Consistently to the simulation of the two--color pump--probe experiments also the 77 K one--color pump--probe experiment of \cite{Viss96} could be successfully simulated. It could be demonstrated that again the redistribution of oscillator strength by the {\it Coulomb}interaction can explain the observed switch of the sign of the signal after about 2 ps. In this time exciton relaxation between the high-- and the low energetic exciton states of the dimer occurs and a two exciton transition starting from the low energetic one exciton state becomes possible. To look for an influence of intramolecular excited state absorption of the pigments the higher excited $S_n$--state of Chl{\it a} has been shifted to reach resonance with the probe pulse. A further redistribution of oscillator strength among the two exciton states could be found. However, the principle effect is already included if only interacting two--level molecules are considered. Finally it could be demonstrated that if the effective modes are shifted into the heat bath, the simulation of the one-- and two--color pump--probe experiments gives significantly worse results. Such a simplified approach corresponds to the multi--mode model applied afterwards on the FMO--complex. Only the behavior on the femtosecond or the picosecond time scale could be understood within the simple model. For a consistent description over the whole time range memory effects in the exciton--vibrational interaction had to be taken into account. However the interaction of the Chl{\it a/b} dimer with the remaining pigments in the LHC-II monomer have been neglected. Therefore it would be interesting to compare the dimer results within the effective mode model with a multi --mode approach including all 12 pigments of the LHC-II monomer. A major difficulty arises from the fact that the geometry of the optical transition dipoles of the pigments in the LHC-II has not been resolved yet. Therefore it is difficult to estimate the mutual {\it Coulomb} interactions between the pigments. However, a promising result has been published recently in \cite{Guel97} giving estimates for the dipole geometries of the Chl{\it a} molecules. It is tempting to combine these results with the result of this work and arrange the remaining Chl{\it b} transition dipoles in such a way that within the Chl{\it a/b} dimers {\it in li ne} geometry is obtained. However first calculations up to now do not give such a consistent fit of the one-- and two-- color pump--probe experiments as it could be obtained within the effective mode model. Further work is in progress. For the bacterial light harvesting FMO complex a high resolution structural investigation allowed to give the geometry of the $Q_y$ transition dipoles of the 7 BChls \cite{Tron85,Li97}. In the standard approaches \cite{Pear92,Pear93,guelen97,Louw97} of the simulation of the linear response of FMO--complexes the homogeneous line width has been always neglected. In this work, a microscopic model of exciton relaxation formulated in the multi--mode model could be used to calculate realistic homogeneous exciton transition line shapes. Moreover, since temperature enters the density matrix theory, it was possible to simulate the temperature dependends of the spectra measured in \cite{Frei97}. A simultaneous fit of the linear absorption at two different temperatures was essential for getting the right microscopic parameter set which could be verified afterwards in the simulation of non--linear optical experiments in the time domain. These parameters include the site energies of the 7 BChl molecules, the global shape of the spectral density of protein vibrations, and the correlation radius of exciton--vibrational coupling. For the latter a value $R_c=$ 21 \AA{} could be obtained, which lies in the middle between smallest (11\AA) and largest (30\AA) center to center distances of pigments in the FMO monomer. Hence the coupling of the protein vibrations to different pigments can be characterized as partly correlated. The dependence of the exciton dynamics and linear absorption spectra on $R_c$ was investigated, and as a general trend it could be obtained that a small correlation radius enhances exciton relaxation. Using the same approach and the same parameters ultrafast pump--probe experiments of \cite{Frei97} performed at 20 K could be successfully simulated at three different probe wavelengths. The nice agreement with the measured data did allow for an estimation of the intramolecular excited state absorption of the pigments in the FMO protein. A ratio of dipole moments $\mu_{S_1\rightarrow S_n}/\mu_{S_0\rightarrow S_1}=0.5$ was obtained. This was the only parameter, which could not be determined from the linear absorption fit, since it appears only in the non--linear optical response. A closer examination of the pump--probe simulations revealed some deviations from the measured data for small delay times ($

In der vorliegenden Arbeit wurde eine neue bildgebende Methode zur Untersuchung der Diffusion in heterogenen Medien auf der Nanometerskala entwickelt (TNIM - Thermal Noise Imaging Microscopy). Die TNI-Mikroskopie wurde gezielt benutzt, um zu erforschen, ob die Beweglichkeit von Zellmembranrezeptoren durch laterale Nanostrukturen in der Membran beeinflusst wird. Bei der TNI-Mikroskopie wird die Diffusion eines Sondenpartikels mit Hilfe einer optischen Falle auf einen submikroskopischen Raumbereich limitiert und dort mit Nanometer räumlicher und Mikrosekunden zeitlicher Auflösung verfolgt. Damit kann die Position von diffusionsbehindernden Nanostrukturen bestimmt werden. Gleichzeitig wird erfasst wie die Mobilität des Partikels durch hydrodynamische Kopplung zu den beobachteten Strukturen beeinflusst wird. Mit Hilfe der TNI-Mikroskopie konnten existierende hydrodynamische Theorien, die die dreidimensionale Mobilität einer Kugel für unterschiedliche Abstände zu einer Grenzfläche beschreiben, mit bisher unerreichter Genauigkeit bestätigt werden. Für die zweidimensionalen Diffusionsmessungen in der Zellmembran wurde ein Nanopartikel an den epidermalen Wachstumsfaktorrezeptor (EGFR - Epidermal Growth Factor Receptor) gebunden. Die Analyse der Partikelbewegung zeigte nanoskopische Areale, die die Diffusion des Rezeptors stark beschränken, wobei sich die Position und Größe der unzugänglichen Areale im Sekundenbereich verändern kann. Der Vergleich mit einem lipidverankertem Protein ergab, dass die Areale vom beobachteten Protein abhängig sind. Des Weiteren wurden deutliche Hinweise darauf gefunden, dass die Diffusion des Rezeptors auf der Nanometerskala von der Lipiddoppelschichtstruktur der Zellmembran dominiert, auf Mikrometerskala jedoch durch die unzugänglichen Areale stark verlangsamt wird. Im letzten Teil der Arbeit wird analysiert wie die Beschränkung der Rezeptormobilität dessen Aktivierungskinetik und die laterale Informationsausbreitung in der Membran beeinflusst. / In the work presented, a novel imaging technique was developed for the purpose of studying diffusive motion in heterogeneous media on the nanometer scale (TNIM - Thermal Noise Imaging Microscopy). TNI-Microscopy was specifically used to investigate if there exist lateral nanostructures that restrict the mobility of receptor proteins in cell membranes. In TNI-Microscopy, the diffusion of a nanoparticle is limited by an optical trap to a small region. Within this region the diffusion of the particle is tracked with nanometer spatial and microsecond temporal resolution. Thus, the position of nanoscopic structures that restrict diffusion can be determined. Furthermore, it is also recorded how the mobility of the particle is influenced by hydrodynamic coupling to the sampled structures. Using TNI-Microscopy, existing hydrodynamic theories that describe the three-dimensional mobility of a sphere at nanoscopic distances to an interface could be validated with unsurpassed accuracy. For two-dimensional diffusion measurements in the cellular plasma membrane, a nanoparticle was coupled to the epidermal growth factor receptor (EGFR). The analysis of the particle’s motion revealed nanoscopic membrane areas that strongly restrict the diffusion of the receptor. Furthermore, it was possible to observe that these inaccessible areas change shape and position on the second time scale. The comparison with a lipid anchored protein showed that the characteristics of these areas depend on the observed protein. Evidence is presented that the diffusion of the receptor on the nanometer scale is dominated by the lipid bilayer structure of the cell membrane, whereas its mobility on the micrometer scale is severely slowed by the observed nanoscopic membrane heterogeneities. In the last part of this work it is analyzed how the restricted receptor mobility influences its activation kinetics and the lateral spreading of a signal within the plane of the plasma membrane.

Konsens ist entscheidend für viele Aspekte unseres täglichen Lebens. Von der Sprache über soziale Normen bis hin zu den Regeln eines einfachen Kartenspiels ist breite Übereinstimmung erforderlich, um den jeweiligen Zweck zu erfüllen. Auch die Meinungen zu den zentralen Themen unserer Zeit sollten so weit übereinstimmen, dass wichtige Herausforderungen gemeinsam in Angriff genommen werden können. Dies ist jedoch häufig nicht der Fall. Sowohl politische Meinungen als auch Einstellungen zu ethischen Fragen sind oft tief gespalten. Die Ursprünge einer solchen Meinungspolarisierung haben die Soziologie lange Zeit vor ein Rätsel gestellt, da soziale Einflüsse uns oft näher zusammenzubringen scheinen. Was müssen wir also annehmen, um Meinungsspaltungen zu erklären? Wann wird ein Konsens gebildet? Und welche Rolle könnte die gestiegene Kommunikation zwischen Menschen bei diesen Prozessen spielen? In dieser Arbeit werden wir uns solchen Fragen mit Hilfe mathematischer Modellierung und der Analyse sozialer Daten nähern. Im Speziellen soll dazu beigetragen werden, die Lücke zwischen mikroskopischen Annahmen über den sozialen Einfluss und der Bildung von makroskopischen Meinungszuständen in sozialen Netzwerken zu schließen. / Consensus is key for many aspects of our daily lives. Concepts ranging from language, to social norms, to the rules of a simple card game require population-scale agreement to fulfil their function. People's opinions on major issues of our time should also be reasonably consistent such that important challenges can be tackled collectively. However, this is often not the case. Political opinions as well as the attitudes towards ethical issues are often deeply divided. The origins of such opinion polarization have puzzled sociology for a long time, as social influence often seems to bring us closer together. Hence, what do we have to assume in order to explain opinion cleavages? When will consensus be formed? And what might be the role of increased communication among people in these processes? In this thesis, we tackle such questions by means of mathematical modeling and the analysis of social data. More specifically, we aim to contribute to bridging the gap between microscopic assumptions about social influence and the formation of macroscopic opinion states in social networks.

Thermoelektrika (TE) sind Materialien die Elektrizität aus Abwärme gewinnen können. Eine wichtige Kenngröße für die Effizienz, und damit die Anwendbarkeit, von TE ist ihre Gitterwärmeleitfähigkeit. In meiner Doktorarbeit habe ich die Invarianz dieser Größe im Kontext der Linear-Response Theorie (LR) bewiesen. Dies ermöglichte es, eine Korrektur der Boltzmann-Transport Gleichung (BTE) für die Gitterwärmeleitfähigkeit in kristallinen Materialien mittels LR herzuleiten. Diese Korrektur ist wichtig um zu beurteilen, wie genau die BTE die Wärmeleitfähigkeit eines Kristalls vorhersagen kann. Um die dafür notwendigen symbolischen Umformungen durchzuführen, habe ich ein Computer-Algebra System (CAS) entwickelt. Die Anzahl an Beiträgen zum finalen Resultat stellte sich als zu groß heraus um Grenzfälle zu analysieren oder prüfbare Approximationen herzuleiten. Aus diesem Grund habe ich alle Beiträge mit so wenigen Approximationen wie möglich ausgewertet. Dafür habe ich eine Software entwickelt, um diese Terme numerisch auszuwerten. Damit habe ich meine Korrektur für altbekannte wie auch vielversprechende TE ausgewertet, nämlich PbTe, Bi2Te3 , SnSe und B4 C. Zusätzlich habe ich MgO und KF untersucht. Das Resultat lässt sich wie folgt zusammenfassen: Die Korrektur zur BTE für die Gitterwärmeleitfähigkeit hat in keinem der untersuchten Materialien und bei keiner der simulierten Temperaturen einen nennenswerten Einfluss. Meine Untersuchung legt nahe, dass die BTE für eine große Bandbreite an Materialien sicher angewandt werden kann, auch besonders stark Anharmonische. Folglich ist diese Arbeit in Übereinstimmung mit der Literatur, dass die am stärksten anharmonischen Materialien genau die mit der niedrigsten Wärmeleitfähigkeit sind. Es scheint daher sinnvoll, dass sich zukünftige Forschung weniger auf die Herleitung solcher Korrekturen zur BTE als vielmehr auf die korrekte Berechnung des Phononpropagators in stark anharmonischen Materialien konzentrieren sollte. / Thermoelectrics (TE) are materials that can be used to generate electricity from waste heat. A key quantity to the efficiency, and therefore the applicability, of TE is the lattice thermal conductivity. In this work, I prove the invariance of the lattice thermal conductivity in the context of linear-response theory (LR). This invariance enables me to derive novel formulas for a correction to the widely used Boltzmann-transport equation (BTE) for lattice thermal transport in crystalline solids using LR. It turned out that these derivations cannot be performed by a human by hand, using the formalism I chose. To perform the necessary symbolic manipulations, I programmed a computer algebra system (CAS), that implements LR, starting from expectation values, over Feynman diagrams to mathematical formulas. The number of resulting terms turned out to be too large for an analysis of all limiting cases. Consequently, I aimed at evaluating all terms, with as few approximations as possible, to generate a simple, numerical result. To do so, I developed a software package to evaluate the formulas numerically without further approximation and applied it to long-serving as well as promising new TE, namely PbTe, Bi2 Te3 , SnSe, and B4C. Additionally I investigated MgO and KF. The result can be summed up as follows: The correction to the BTE for the lattice thermal conductivity has almost no influence in the investigated materials at any simulated temperature. My investigation suggests that the BTE can be used for a wide range of materials, including the most anharmonic ones. Consequently, this work is in agreement with the literature, that the most anharmonic materials are exactly those with the lowest lattice thermal conductivity. It suggests that future theoretic work on lattice thermal conductivity should focus to find the correct phonon-propagator of strongly anharmonic systems.

Die Beobachtung von Neutrino-Oszillationen hat gezeigt, dass Neutrinos eine von Null verschiedene Masse haben. Dieses Phänomen wird nicht durch das Standardmodell der Teilchenphysik beschrieben, aber eine mögliche Erklärung für dieses Dilemma ist die Existenz von schweren neutralen Leptonen in Form von rechtshändigen Neutrinos. Abhängig von ihrer Masse und Kopplung zu den Neutrinos des Standardmodells könnten diese Teilchen auch eine wichtige Rolle bei der Lösung weiterer unerklärter Beobachtungen wie Dunkler Materie und der Baryonenasymmetrie des Universums spielen. Diese Arbeit präsentiert die erste Suche nach schweren neutralen Leptonen mit dem IceCube Neutrino-Observatorium. Das standardmäßige Drei-Flavor-Neutrino-Modell wird erweitert, indem ein vierter Massenzustand im GeV-Bereich hinzugefügt wird und eine Mischung mit dem Tau-Neutrino durch den Parameter \ut4 erlaubt wird. Es werden drei Massenwerte für schwere neutrale Leptonen, $m_4$, von \SI{0.3}{\gev}, \SI{0.6}{\gev} und \SI{1.0}{\gev} getestet, wobei zehn Jahre Daten aus den Jahren 2011 bis 2021 verwendet werden. Für keine der drei getesteten Massen wird ein signifikantes Signal von schweren neutralen Leptonen gemessen. Die resultierenden Einschränkungen für den Mischungsparameter sind \ut4$ < 0.19\;(m_4 = \SI{0.3}{\gev})$, \ut4$ < 0.36\;(m_4 = \SI{0.6}{\gev})$ und \ut4$ < 0.40\;(m_4 = \SI{1.0}{\gev})$ im \SI{90}{\percent} - Konfidenzniveau. Diese erste Analyse legt die grundlegende Basis für zukünftige Suchen nach schweren neutralen Leptonen in IceCube. / The observation of neutrino oscillations has established that neutrinos have non-zero masses. This phenomenon is not explained by the standard model of particle physics, but one viable explanation to this dilemma is the existence of heavy neutral leptons in the form of right-handed neutrinos. Depending on their mass and coupling to standard model neutrinos, these particles could also play an important role in solving additional unexplained observations such as dark matter and the baryon asymmetry of the universe. This work presents the first search for heavy neutral leptons with the IceCube Neutrino Observatory. The standard three flavor neutrino model is extended by adding a fourth GeV-scale mass state and allowing mixing with the tau neutrino through the parameter \ut4. Three heavy neutral lepton mass values, $m_4$, of \SI{0.3}{\gev}, \SI{0.6}{\gev}, and \SI{1.0}{\gev} are tested using ten years of data, collected between 2011 and 2021. No significant signal of heavy neutral leptons is observed for any of the tested masses. The resulting constraints for the mixing parameter are \ut4$ < 0.19\;(m_4 = \SI{0.3}{\gev})$, \ut4$ < 0.36\;(m_4 = \SI{0.6}{\gev})$, and \ut4$ < 0.40\;(m_4 = \SI{1.0}{\gev})$ at \SI{90}{\percent} confidence level. This first analysis lays the fundamental groundwork for future searches for heavy neutral leptons in IceCube.

In dieser Arbeit werden die grundlegenden Wachstumsprozesse von Ga2O3 , mittels Transmissionselektronenmikroskopie analysiert. Dazu gehört die Untersuchung des heteroepitaktischen Wachstums von Galliumoxidschichten welche mittels Molekularstrahlepitaxie (molekular beam epitaxy MBE), der gepulsten Laser Abscheidung (pulsed laser deposition (PLD)) und der metallorganischen Gasphasenepitaxie (metalorganic vapor phase epitaxy (MOVPE)) auf (0001) orientierte Saphir Substraten abgeschieden wurden. Heteroepitaktisches Wachstum von Ga2O3 auf Saphir (0001) erfolgt bis zu einer Dicke von 3 Monolagen pseudomorph als α-Ga2O3 welches durch die Gitterfehlpassung zwischen Galliumoxid und dem Saphire Substrat induzierte Gitterverspannung stabilisiert wir. Weiterhin, im Fokus der Arbeit stehend, wird das homoepitaktische Wachstum von Galliumoxid auf (100) orientierten Galliumoxidsubstraten untersucht. Neben den Besonderheiten des Schichtwachstums, die sich aus den eingesetzten metallorganischen Präkursoren und Sauerstoffquellen ergeben, wird die Schichtstruktur in Abhängigkeit der typischen Wachstumsparameter (Wachstumstemperatur, Wachstumsrate, Kammerdruck und Fehlorientierung des Substrates) analysiert. Dabei wird gezeigt das homoepitaktischen Wachstum auf (100) orientiertem, β-Ga2O3, mittels MOVPE, die kristalline Perfektion der gewachsenen Schichten stark von den verwendeten Präkursoren (Trimethylgallium (TMGa) und Triethylgallium (TEGa) als metallorganische Ausgangsstoffe und H2 O oder purer Sauerstoff als Oxidant) und den chemischen Prozessen an der Oberfläche bestimmt wird. Des Weiteren wird die Entstehung von Zwillingslammelen in abhähngigkeit der Fehlorientierung untersucht. Durch die Einführung von vorbestimmten Fehlorientierungswinkeln der Substrate ist es möglich das Entstehen der Zwillingslamellen zu verhindern, und ein Stufenflusswachstum zu generieren. Durch die Anwendung eines Ratengleichungsansatzes ist es möglich die experimentell beobachteten Dichten an Zwillingslamellen zu erklären und einen Diffusionskoeffizienten zu bestimmen. (i) Heteroepitaktisches Wachstum von Ga2O3 auf Saphir (0001) erfolgt bis zu einer Dicke von 3 Monolagen pseudomorph als alpha-Ga2O3. Oberhalb dieser Schicht wächst relaxiertes ß-Ga2O3 in Form von 3 Rotationsdomänen auf. Die Stabilisation der dünnen alpha-Ga2O3 Schicht wird, durch die Gitterfehlpassung zwischen Galliumoxid und dem Saphire Substrat induzierte Gitterverspannung bewirkt. (ii) Beim homoepitaktischen Wachstum auf (100) orientiertem ß-Ga2O3 mittels MOVPE wird die kristalline Perfektion der gewachsenen Schichten stark von den verwendeten Präkursoren (Trimethylgallium (TMGa) und Triethylgallium (TEGa) als metallorganische Ausgangsstoffe und H2O oder purer Sauerstoff als Oxidant) und den chemischen Prozessen an der Oberfläche bestimmt. Während beim Wachstum mittels TMGa und O2 vorwiegend polykristalline Schichten entstehen, ergeben sich beim Wachstum mittels TMGa und H2O sowie TEGa und O2 geschlossenen epitaktische Schichten. Dieser signifikante Unterschiede lässt sich durch die unterschiedlichen Reaktionswege der Ausgangsstoffe sowie durch die katalytische Wirkung der (100) Flächen des ß-Ga2O3 erklären. (iii) Die Perfektion, mittels MOVPE gewachsener, homoepitaktischer Schichten, auf (100) orientierten Substraten, ist stark von der Fehlorientierung des Substrates bestimmt. Schichten die auf Substraten mit geringen Fehlorientierungen abgeschieden werden (< 2° bei Wachstumstemperaturen < 850°C) sind durch eine hohe Dichte an Zwillingslamellen gekennzeichnet. Die Entstehung der Zwillingslamellen ist ein Resultat eines Doppelpositionierungsprozesses der Atome auf der Oberfläche der Wachstumsebene. Durch die Einführung von vorbestimmten Fehlorientierungswinkeln der Substrate ist es möglich das Entstehen der Zwillingslamellen zu verhindern, und ein Stufenflusswachstum zu generieren. Durch die Anwendung eines Ratengleichungsansatzes, welcher die konkurrierenden Prozesse des Einbaus von Atomen in Oberflächenstufen sowie der Nukleation und des Wachstum von zweidimensionalen Inseln beschreibt, ist es möglich die experimentell beobachteten Dichten an Zwillingslamellen zu erklären und einen Diffusionskoeffizienten zu bestimmen, Dieser ist um zwei Größenordnungen geringer als bei klassischen Halbleitern, wie z. B. GaAs. In dieser Arbeit werden die grundlegenden Wachstumsprozesse von Ga2O3 , mittels Transmissionselektronenmikroskopie analysiert. Dazu gehört die Untersuchung des heteroepitaktischen Wachstums von Galliumoxidschichten welche mittels Molekularstrahlepitaxie (molekular beam epitaxy MBE), der gepulsten Laser Abscheidung (pulsed laser deposition (PLD)) und der metallorganischen Gasphasenepitaxie (metalorganic vapor phase epitaxy (MOVPE)) auf (0001) orientierte Saphir Substraten abgeschieden wurden. Heteroepitaktisches Wachstum von Ga2O3 auf Saphir (0001) erfolgt bis zu einer Dicke von 3 Monolagen pseudomorph als α-Ga2O3 welches durch die Gitterfehlpassung zwischen Galliumoxid und dem Saphire Substrat induzierte Gitterverspannung stabilisiert wir. Weiterhin, im Fokus der Arbeit stehend, wird das homoepitaktische Wachstum von Galliumoxid auf (100) orientierten Galliumoxidsubstraten untersucht. Neben den Besonderheiten des Schichtwachstums, die sich aus den eingesetzten metallorganischen Präkursoren und Sauerstoffquellen ergeben, wird die Schichtstruktur in Abhängigkeit der typischen Wachstumsparameter (Wachstumstemperatur, Wachstumsrate, Kammerdruck und Fehlorientierung des Substrates) analysiert. Dabei wird gezeigt das homoepitaktischen Wachstum auf (100) orientiertem, β-Ga2O3, mittels MOVPE, die kristalline Perfektion der gewachsenen Schichten stark von den verwendeten Präkursoren (Trimethylgallium (TMGa) und Triethylgallium (TEGa) als metallorganische Ausgangsstoffe und H2 O oder purer Sauerstoff als Oxidant) und den chemischen Prozessen an der Oberfläche bestimmt wird. Des Weiteren wird die Entstehung von Zwillingslammelen in abhähngigkeit der Fehlorientierung untersucht. Durch die Einführung von vorbestimmten Fehlorientierungswinkeln der Substrate ist es möglich das Entstehen der Zwillingslamellen zu verhindern, und ein Stufenflusswachstum zu generieren. Durch die Anwendung eines Ratengleichungsansatzes ist es möglich die experimentell beobachteten Dichten an Zwillingslamellen zu erklären und einen Diffusionskoeffizienten zu bestimmen. Des Weiteren wird das Wachstum im Mischsystem (InxGa1-x)2O3 untersucht und gezeigt das Indium als grenzflächenaktive Substanz wirken kann. / In this work we study the basic growth processes of epitaxial Ga2O3 films, by means of transmission electron microscopy. We investigate the heteroepitaxial growth of thin layers Ga2O3 on the (0001) plane of sapphire grown by molecular beam epitaxy (MBE), pulsed laser deposition (PLD) and metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE). Furthermore, we will focus on the homoepitaxial growth on the (100) plane by MOVPE. Beside the peculiarities of the layer growth dependence on different metal organic precursors and oxygen sources, we investigate the influence of typical growth parameters (i.e. growth temperature, growth-rate, chamber pressure and miscut angle of the substrate) on the layer morphology. Incase of heteroepitaxial growth of β-Ga2O3 on (0001) plane of sapphire, independent of the growth method, the formation of a 3 monolayer thick α-Ga2O3 layer is observed, which is stabilized through strain, as a result of the lattice mismatch between sapphire and α-Ga2O3. In case of homoepitaxial growth by MOVPE on (100) oriented β-Ga2O3, the crystalline quality of the grown layer strongly depends on the used precursor (tri-methyl-gallium (TMGa) or tri-ethyl-gallium (TEGa) as metal precursor and H2O or pure oxygen as oxidant) and the chemical processes on the surface, respectively. Further on is the crystalline perfection of homoepitaxial layers grown by MOVPE on (100) oriented β-Ga2O3 substrates strongly dependent on the miscut-angle of the substrates. Layer grown on substrate with a small miscut-angle (< 2°) show high amount of twin lamella. These twin lamella are a result of a possible double positioning mechanism of ad-atoms on the growth surface. By introducing appropriate miscut-angles of the substrate it is possible to suppress the formation of these twin lamellae, and enable step flow growth. By applying a rate equation approach, describing the competing processes of incorporation of ad-atoms at kink sites or nucleation and growth of two dimensional island, it is possible to quantitatively reproduce the experimentally observed twin lamella densities and to determine a surface diffusion coefficient of the ad-atoms. Furthermore, in case of the alloy system (InxGa1-x)2O3, it is shown that indium can act as an surfactant, by increasing the surface diffusion.

Das Antarctic Muon And Neutrino Detector Array (AMANDA) ist ein Cherenkov Detektor, der sich im Gletscher der Antarktis am Südpol befindet. Wir präsentieren die Analyse von Daten, die in den Jahren 2000 bis 2004 gesammelt wurden, die einer effektiven Detektorlaufzeit von 1001 Tagen entsprechen. Die Suche zielt auf den Nachweis von elektomagnetische und hadronische Teilchenschauern, so gennante Kaskaden, die durch Elektron- und Tauneutrinowechselwirkung produziert werden können. Die hadronischen Kaskaden können auch über neutrale Ströme Wechselwirkung von Neutrinos aller Arten produziert werden. Der Kaskadenkanal hat einige Vorteile in der Suche nach einem diffusen Fluss von astrophysikalischen Neutrinos. Durch die gute Energieauflösung des AMANDA Detektors kann man zwischen einem harten astrophysikalische Spektrum und einem weichen atmosphärischen Spektrum unterscheiden. Außerdem ist der atmosphärischen Elektronneutrinos Fluss um eine Gößenordnung kleiner als der atmosphärische Myonneutrinofluss. Der Untergrund von atmosphärischem Myonen aus Luftschauern kann unterdrückt werden, weil diese als Spuren im Detektor erscheinen und leicht zu identifizieren sind. Mit der hohen Untergrundunterdrückung ist es möglich die Analyse über einen Raumwinkel von 4pi für Energien gegen 50 TeV zu erstrecken. Die Anzahl von gefundenen Ereignissen in dieser Analyse stimmt mit der Erwartung von Hintergrundereignissen überein. Deshalb berechnen wir eine obere Grenze für den diffusen Neutrinofluss aller Neutrinoarten, unter der Annahme, dass alle Neutrinoarten im Verhältnis 1:1:1 auftreten. Die obere Grenze für einen Nuetrinofluss im Energiebereich von 40 TeV bis 9 PeV mit einem Spektrum von E-2 ist 3.96x10-7 GeV s-1 sr-1 cm-2 bei einem Konfidenzniveau von 90%. Dies ist momentan die niedrigste Grenze für einen diffusen Neutrinoflüss aller Neutrinoarten. / The Antarctic Muon And Neutrino Detector Array (AMANDA) is a Cherenkov detector deployed in the Antarctic ice cap at the South Pole. We present the analysis of the AMANDA data collected during 1001 effective days of the detector lifetime be tween the years 2000 and 2004. We focus our search on electromagnetic and hadronic cascades which are produced in charged-current interactions of high-energy electron or tau neutrinos and in neutral-current interactions of neutrinos of any flavor. There are several advantages associated with the cascade channel in the search for a "diffuse" flux of astrophysical neutrinos. The AMANDA''s energy resolution allows us to distinguish between a hard astrophysical spectrum and a soft atmospheric spectrum. In addition, the flux of atmospheric electron neutrinos is lower than that of atmospheric muon neutrinos by one order of magnitude, and the background from downward-going atmospheric muons can be suppressed due to their track-like topology. The low background in this channel allows us to attain a 4pi acceptance above energies of about 50 TeV. The number of events observed in this analysis is consistent with the background expectations. Therefore, we calculate an upper limit on the diffuse all-flavor neutrino flux assuming a flavor ratio 1:1:1 at the detection site. A flux of neutrinos with a spectrum falling as E-2 is limited to 3.96x10-7 GeV s-1 sr-1 cm-2 at 90% C.L. for a neutrino energy range spanning from 40 TeV to 9 PeV. This upper limit is currently the most sensitive limit on the diffuse all-flavor astrophysical neutrino flux.

In der vorliegenden Arbeit werden Ergebnisse vom Experiment HERMES präsentiert, welche eine azimutale Asymmetrie bezüglich des Spins des Protontargets zeigen, die von der Interferenz zwischen dem Bethe-Heitler und dem Tiefvirtuelle Compton Streuung (DVCS) Prozess herrührt. Diese Asymmetrie, auch als longitudinale Target-Spin Asymmetrie (LTSA) bezeichnet, erlaubt hauptsächlich den Zugang zur polarisierten verallgemeinerten Partonverteilungen (GPD) H-tilde. Die kinematische Abhängigkeit der LTSA von t, x_B und Q2 wurde gemessen und mit vorhandenen Messungen am Deuteron verglichen. Die Ergebnisse wurden mit theoretischen Berechungen und mit aktuellen Messungen des CLAS-Experiments verglichen. Die Daten, die zur Analyse in der vorliegenden Arbeit verwendet werden, wurden am HERMES Experiment bei DESY genommen, wobei im HERA-Speicherring Positronenstrahlen der Energie 27.5 GeV an Wasserstoff- und Deuterium-Gas-Targets gestreut wurden. Darüber hinaus werden Produktionstests des HELIX-128 3.0 chips diskutiert. Der Chip ist ein Frontend-Auslesechip beim Silizium-Rückstossdetektor. Letzterer ist Teil des HERMES-Rückstossdetektors, welcher den Target-Bereich umschliesst, um die Rückstossprodukte der exklusiven Prozesse zu detektieren. Das primäre Ziel dieses Detektors ist es, eine vollständigere Untersuchung von DVCS durch zusätzliche Registrierung der Rückstossprotonen zu ermöglichen. / In this thesis results from HERMES are reported on an azimuthal asymmetry with respect to the spin of the proton target, which is attributed to the interference between the Bethe-Heitler process and the Deeply Virtual Compton Scattering process. The asymmetry, also referred to as the longitudinal target-spin asymmetry (LTSA), gives access mainly to the polarized Generalized Parton Distribution H-tilde. The kinematic dependences of the LTSA on t, x_B and Q^2 are measured and compared with the corresponding measurements on the deuteron. The results are compared with theoretical calculations and with the recent CLAS measurements. The data, used for analysis in this thesis, have been accumulated by the HERMES experiment at DESY scattering the HERA 27.6 GeV positron beam off hydrogen and deuterium gas targets. Additionally, production tests of the HELIX128 3.0 chip are discussed. The chip is the frontend readout chip of the silicon recoil detector. The latter is a part of the HERMES recoil detector, which is built around the target area in order to detect the recoiling products of exclusive processes. The primary goal of this detector is to facilitate a more complete study of DVCS by registering also the recoiling protons.

SNe Ia können als Standardkerzen verwendet werden, um den Zustandsparameter der dunklen Energie w zu messen. Nachdem viele SN Ia beobachtet wurden, wird die Genauigkeit aktueller Studien durch systematische Fehler beschränkt, wobei die Flusskalibrierung (in Wellenlänge) die dominierende Fehlerquelle ist. In dieser Arbeit wird eine Möglichkeit präsentiert, das Problem mit dem “SNIFS Calibration Apparatus” (SCALA) zu lösen oder wenigstens zu verringern. Das Ziel von SCALA ist es, dass System aus Teleskop und SNIFS mit hoher Genauigkeit zu kalibrieren und diese Kalibration auf das Standardstern-Netzwerk zu übertragen und somit die Modellabhängigkeit zu unterdrücken. SCALA erzeugt 18 nahezu parallele und kolimierte monochromatische Strahlen (mit einstellbarer Wellenlänge), die Öffnungswinkel von einem Grad haben. Die Kombination dieser Strahlen leuchtet die Bildebene des UH 88, Teleskops (Universität Hawaii 88 inch Teleskop) mit einer Genauigkeit von 1% gleichmäß ig aus. SCALA wurde im Jahr 2014 installiert und ist seit 2015 im regulären Betrieb. Im in-situ Betrieb wird einer der Strahlen ständig mit einer Photodiode überwacht, die mit einer NIST-kalibrierten Photodiode kalibriert wurde. Eine zweite so kalibrierte Photodiode wird von Strahl zu Strahl bewegt, um den Helligkeitsverlauf der anderen 17 Strahlen als Funktion der Wellenlänge zu messen. Auf diese Weise sind wir in der Lage die Ausleuchtung von SCALA mit einer Genauigkeit von besser als 1% zu vermessen. Auf diese Weise kann mit der bekannten Wellenlänge des verwendeten Lichts die Transmissionskurve des SNIFS+UH 88 Systems gemessen werden. Die gemessenen systematischen Ungenauigkeiten der Messung sind kleiner als 0.7%. Der nächste Schritt besteht darin, die mit SCALA erreichte Kalibration mit einer herkömmlichen, auf Basis des Standard Stern Netzwerkes, zu vergleichen. / SNe Ia can be used as standard candles to measure the dark energy equation of state parameter, w. Having observed a good number of these objects, current studies are limited by systematic uncertainties, among which relative (color) flux calibration is dominating. This work presents a way to solve, or at least limit, the problem with the SNIFS Calibration Apparatus (SCALA). SCALA's goal is to provide high precision calibration for the “telescope+ SNIFS” system and refine the primary standard star network, to eliminate the uncertainties due to the knowledge of their models. SCALA produces 18 quasi-parallel and collimated monochromatic (and wavelength tunable) beams with opening angles of 1 degree. The combination of these beams allows us to achieve an illumination of the focal plane of the University of Hawaii 88 inches telescope (UH 88), that is flat to within 1%. SCALA was commissioned in 2014 and fully deployed in 2015. In the in-situ set up, one of the SCALA beams is constantly monitored by a photodiode (calibrated against a NIST-calibrated photodiode), which is used as flux standard to transfer the NIST-calibration to the telescope+instrument first, and the standard star spectra afterwards. We measure the overall wavelength trend of the illumination from SCALA with a precision better than 1%, by moving another of these calibrated photodiodes from beam to beam. We can hence measure relative trasmissivity curves for each SCALA beam. Therefore, we can produce throughput curves of the SNIFS+UH 88 system. The measured systematics affecting our results sum to errors smaller than 0.7%. The next step would be to compare the calibration of the system achieved with SCALA with the traditional calibration obtained by observing standard stars.

Die Struktur und Dynamik von Biomolekülen wird durch ein komplexes Wechselspiel mit Ionen und Wassermolekülen der Hydratationshülle beeinflusst. Die Wechselwirkungen sind kaum verstanden, zum Teil weil es an experimentellen molekularen Sonden mangelt. Lokale Schwingungen des RNA-Rückgrats bieten solch nicht-invasive Sonden, empfindlich gegenüber den ersten Schichten der RNA-Solvatationshülle. Die Empfindlichkeit rührt von elektrischen Feldern auf der biomolekularen Oberfläche. Diese Dissertation nutzt die Sensitivität aus, um mit Femtosekunden-2D-IR-Spektroskopie der asymmetrischen Phosphatstreckschwingung die Rolle positiv geladener Ionen, insbesondere Magnesium, Mg2+, zu untersuchen, die negativ geladene Phosphatgruppen des Rückgrats kompensieren. Erste Experimente an Dimethylphosphat, zusammen mit theoretischen Berechnungen, zeigen eine Blauverschiebung der Phosphatmode aufgrund der Bildung von Kontaktionenpaaren. Kurze Abstände zwischen Mg2+ und der Phosphatgruppe führen zu repulsiven Austauschwechselwirkungen, die die Potentialfläche der Schwingung stören. Bei Doppelstrang-RNA zeigt sich eine starke Abhängigkeit der Phosphatschwingung von lokalen Wasserstrukturen. Frequenzverschiebungen durch den Starkeffekt führen zu drei Schwingungsbanden, die unterschiedliche lokale Geometrien widerspiegeln. Elektrische Felder von solvatisierenden Wassermolekülen beeinflussen dabei das Bindungspotential. Abschließend erlaubt es die Blauverschiebung der Phosphatmode, die Bildung von Mg2+/Phosphat Kontaktionenpaaren in Transfer-RNA quantitativ zu verfolgen. Es wird gezeigt, dass diese die Tertiärstruktur der tRNA stabilisieren, indem sie die Coulombabstoßung zwischen negativ geladenen Phosphatgruppen kompensieren, besonders in kompakten Regionen. Die Dissertation demonstriert das Potential zeitaufgelöster Schwingungsspektroskopie, kombiniert mit theoretischen Beschreibungen auf molekularer Ebene, um die komplexen Interaktionen biomolekularer Solvatationsumgebungen zu erforschen. / The structure and dynamics of biomolecules are influenced by a complex interplay with ions and water molecules in the local hydration shell. The underlying interactions are poorly understood, partly because of a lack of experimental probes that can access the molecular scale. Local vibrations of the RNA backbone provide non-invasive probes sensitive to the first hydration layers of the RNA solvation shell via the imposed electric field on the biomolecular surface. This thesis exploits this sensitivity in femtosecond 2D-IR spectroscopy experiments on the asymmetric phosphate stretch vibration to investigate the role of positively charged ions, particularly the magnesium cation Mg2+, in counteracting the negatively charged phosphate backbone. Initial experiments with the model system dimethyl phosphate in combination with theoretical calculations report a frequency blue-shift due to the formation of contact ion pairs. Short distances between Mg2+ and phosphate lead to exchange repulsion interactions that perturb the vibrational potential energy surface. In double helical RNA, a strong dependence of the phosphate mode on the local hydration structure of the phosphate group is found. Three distinct vibrational peaks reflect different hydration geometries as a result of vibrational Stark shifts. Responsible for the frequency shifts are electric fields from solvating water molecules. Ultimately, the blue-shift of the phosphate mode allows to quantitatively follow the formation of Mg2+-phosphate contact pairs in transfer RNA systems. It is shown that these configurations stabilize the tertiary structure of tRNA molecules by efficiently compensating the Coulomb repulsion from negatively charged phosphate groups, particularly in highly congested regions. The thesis demonstrates the potential of time-resolved vibrational spectroscopy combined with theoretical descriptions on the molecular level to probe the complex interactions of biomolecular solvation environments.