Photolumineszenz-Techniken spielen eine wichtige Rolle bei der Charakterisierung verschiedener funktionaler Fluorophore in den Lebens- und Materialwissenschaften, in der Biologie und bis hin zu den Quantentechnologien. Ein entscheidender und wichtiger Parameter für den Vergleich von Fluorophoren ist die Quanteneffizienz, die ein direktes Maß für die Umwandlungseffizienz von absorbierten Photonen in emittierte Photonen darstellt. Diese Größe charakterisiert die Nutzbarkeit von Emittern für Anwendungen in optischen Geräten, Einzelphotonenquellen und im biomedizinischen Bereich. Mehrere Techniken wie optische und photothermische Methoden werden verwendet, um die photolumineszente Quanteneffizienz zu messen, und so die Eignung von Fluorophoren für verschiedene Anwendungen zu bewerten. Quanteneffizienz-Messungen können jedoch eine Herausforderung für hochverdünnte Fluorophore sein, die in dünne Schichten eingebettet sind. Die in dieser Arbeit beschriebene Forschung überwindet die Herausforderungen der Quanteneffizienzmessung durch eine Modifikation der Wechselwirkung zwischen Licht und Umgebung. / Photoluminescence techniques play an important role for characterization of various functional fluorophores in the life and material sciences from biology to quantum technologies. A crucial and key parameter for comparing the performance of fluorophores is the photoluminescence quantum efficiency or quantum yield, which presents a direct measure of conversion efficiency of absorbed photons into emitted photons. This quantity characterizes the performance of emitters for applications in optical devices as single photon sources and in the biomedical sector. Several techniques such as optical and photothermal methods are used to measure the photoluminescence quantum efficiency of emitters in various environments and aggregation states. Quantum efficiency measurements can be challenging for fluorophores in solid matrix, in scattering systems and for highly diluted fluorophores embedded to thin films. The research described in this thesis overcomes these challenges by performing quantum efficiency measurement via modifying the spontaneous emission as a fundamental process of light-matter interaction.

Nach der Entdeckung eines diffusen Flusses hochenergetischer astrophysikalischer Neutrinos durch das IceCube South Pole Neutrino Observatory im Jahr 2013 sind die Quellen, die für den Großteil dieser Emission verantwortlich sind, immer noch unbekannt. Blazare, jene AGN mit einem relativistischen Jet, der auf die Erde zeigt, gelten als Hauptkandidaten für die Beschleunigung der kosmischen Strahlung und die Produktion hochenergetischer Neutrinos. Diese Doktorarbeit ist motiviert durch den Nachweis des Gammastrahlen-Blazers TXS 0506+056 in räumlicher Koinzidenz mit dem Neutrino IceCube-170922A. 
In dieser Arbeit präsentiere ich die Ergebnisse einer detaillierten Gammastrahlenanalyse des Blazars TXS 0506+056 über 9,6 Jahre Fermi-LAT-Beobachtungen. Die Quelle ist stark variabel im Gammastrahlenband zur Ankunftszeit des Neutrinos IceCube-170922A, was auf eine Neutrino-Gammastrahlen-Verbindung hindeutet. Die Quelle wird jedoch während eines zusätzlichen niederenergetischen Neutrinosignals, das 2014/15 von Ice-Cube in Archivdaten von derselben Quelle entdeckt wurde, in einem niedrigen Zustand beobachtet. In dieser Arbeit wurde ein zweiter Gammastrahlen-Blazar GB6 J1040+0617 in räumlicher und zeitlicher Übereinstimmung mit dem hochenergetischen Neutrino-Ereignis IceCube-141209A gefunden, während er eine erhöhte Aktivität im Gammastrahlen- und im optischen Band zeigt. Eine zweite Suche nach Blazar-Gegenstücken zu hochenergetischen Neutrinos erfolgt durch Echtzeit-Follow-up von mehr als 60 IceCube-Alerts mit dem Fermi-LAT. Der kräftige Blazar PKS 1502+106, der zusammen mit dem Ereignis IceCube-190730A gefunden wurde, stellt einen herausragenden wissenschaftlichen Fall dar. Schließlich wird eine Studie zum Vergleich der durchschnittlichen Gammastrahlenemission der potenziellen Neutrino-Gegenstücke mit der gesamten Stichprobe von Gammastrahlen-Blazaren vorgestellt. Die Ergebnisse zeigen mögliche Hinweise auf eine Korrelation zwischen Neutrino- und Gammastrahlen-Energieflüssen. / After the discovery of a diffuse flux of high-energy astrophysical neutrinos by the IceCube South Pole Neutrino Observatory in 2013, the sources responsible for the majority of this emission are still unknown. Blazars, those AGN with a relativistic jet pointing towards Earth, are considered prime candidates for cosmic-ray acceleration and the production of high-energy neutrinos. This thesis work is motivated by the detection of the flaring gamma-ray blazar TXS 0506+056 in spatial and temporal coincidence with the neutrino event IceCube-170922A, that represented a milestone for the new field of multi-messenger astronomy. In this thesis, I present the results of a detailed gamma-ray analysis of the blazar TXS 0506+056 over 9.6 years of Fermi-LAT observations. The source shows strong flux variability in the gamma-ray band at the arrival of IceCube-170922A, indicating a neutrino gamma-ray connection, while is observed in a lowstate during an additional lower-energy neutrino signal detected from the same source by IceCube in 2014/15 in archival data. This puzzling behaviour has motivated further studies on the blazar sources coincident with single high-energy neutrinos. In this thesis, a second gamma-ray blazar GB6 J1040+0617, is found in spatial and temporal coincidence with the high-energy neutrino event IceCube-141209A while showing enhanced activity in the gamma-ray and optical bands. A second search for blazar counterparts to high-energy neutrinos is done through realtime follow-up of more than 60 IceCube alerts with the Fermi-LAT. The powerful blazar PKS 1502+106 found coincident with the event IceCube-190730A represents an outstanding science case. Lastly, a study to compare the average gamma-ray emission of the potential neutrino counterparts to the entire sample of gamma-ray blazars is presented. The results show possible indications of correlation between neutrino and gamma-ray energy fluxes.

In dieser Arbeit werden die Wechselwirkungen von Wasserstoff mit festen Materialien und Oberflächen untersucht. Zunächst wird der Kontext unserer Untersuchung durch eine kurze Einordnung in die Geschichte der Naturwissenschaften im Allgemeinen, und der Oberflächenforschung im Speziellen, hergestellt. Anschließend wird der quanten- mechanische Apparat, welcher nötig ist um die betrachteten Systeme zu beschreiben, eingeführt um dann detailliert die Potentialhyperfläche der Entstehung von Wasser durch Adsoprtion von Wasserstoff auf einer teilweise oxidierten Ruthenium(0001) Metalloberfläche zu studieren. Zudem wird das gleiche System betrachtet, wenn die Metalloberfläche zusätzlich von einer biatomaren, kristallinen Lage Siliziumdioxid (SiO2 ) bedeckt ist, wodurch eine räumliche Beengung eintritt. Wir verwenden unsere Ergebnisse zusammen mit experimentellen Beobachtungen und mathematischen Metho- den um ein vollständig theoretisches Modell zu entwerfen und das System grundlegend verstehen zu können. In einem weiteren Schritt werden die chemischen Änderungen der Siliziumdioxid Doppellage untersucht, wenn das System Wasserstoffplasma ausgesetzt wird. Es werden diverse mögliche Defektstrukturen diskutiert und mithilfe experi- menteller Befunde die wahrscheinlichste Struktur isoliert. Im letzten Kapitel werden die typischen Näherungen untersucht, welche notwendig sind um quantenmechanische Methoden mit Hilfe von Computern durchführbar zu machen. Wir verwenden den sogenannten embedded-fragment Ansatz um die Diffusionsbarriere von Wasserstoff auf Aluminiumoxid mit chemischer Genauigkeit zu berechnen. Unsere Ergebnisse auf dem coupled-cluster with singles, doubles and perturbative triples (CCSD(T))- Niveau können sowohl als Referenz für experimentelle Untersuchungen, als auch für andere quantenmechanische Methoden wie z.B. die Dichtefunktionaltheorie, angesehen werden. / The present thesis aims at investigating the interactions of hydrogen with solid surfaces and materials. We first offer a brief historical context for surface science, as well as quantum mechanics and science is general, before deriving the mathematical appa- ratus necessary to investigate our systems of interest. We then move on to explore the potential energy surface of the water-formation-reaction on a partially oxidized ruthenium(0001) surface when confined under a two-atom thick sheet of silica (SiO2 ). We further employ our findings in conjunction with experimental observations and mathematical modeling to set up a fully theoretical model of the system in order to explain its behavior. In the second chapter we investigate the chemical alteration of the ultra-thin silica bilayer by means of exposing it to hydrogen plasma. We elucidate possible defects formed during the process and pin-point the most likely structure found. In the last chapter, we investigate the possible error sources that are inherent in quantum mechanical modeling and employ the so called embedded fragment approach to lift the approximations up to the coupled cluster singles and doubles with perturba- tive triples (CCSD(T)) level of theory. We then apply this methodology to the diffusion of hydrogen on aluminum oxide to obtain a diffusion barrier of chemical accuracy that may both be used to benchmark other approaches such as density functional theory, as well as experimental findings.

In der Arbeit haben wir die Grenzen der weit verbreiteten tomographischen Rekonstruktion von 3D-Proben mittels Transmissionsröntgenmikroskopie charakterisiert. Wir zeigen, dass die 3D-Auflösung mit diesem Ansatz durch die Schärfentiefe begrenzt ist. Zur Untersuchung von Alternativen führten wir Simulationen zur Bildentstehung in einem konfokalen Röntgenmikroskop und einem FIB-SXM durch. Wir zeigen, dass FIB-SXM ein vielversprechender Ansatz ist, der eine isotrope 3D-Aulösung um die 10 nm erreichen kann und zusätzlich ein drastisch verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis bieten könnte. Wir stellen auch eine neue Holographiemethode vor, die sich für Vollfeldabbildungen mit kurzen kohärenten Röntgenpulsen als vorteilhaft erweisen und neue Einsichten in die ultraschnelle Physik liefern könnte. / We have characterized the limitations of the most powerful and widely used 3D X-ray imaging approach, transmission X-ray microscopy with tomographic reconstruction. We show that 3D resolution in this approach is limited by the depth of field. To investigate alternatives, we perform simulations of a confocal transmission X-ray microscope and a FIB-SXM. We show that FIB-SXM is a very promising approach that could o er 3D isotropic resolution at 10 nm with dramatically improved signal to noise. We also introduce a new holography method that could prove bene cial for full eld imaging with short coherent X-ray pulses and yield new insights into ultrafast physics.

Die vorliegende Dissertation analysiert Beobachtungen des Vela-Pulsars mit dem H.E.S.S.-Observatorium und präsentiert damit den ersten Nachweis gepulster Strahlung mit H.E.S.S. Die signifikante Detektion (11.4 s) oberhalb einer bis jetzt unerreichten Energieschwelle von lediglich 15 GeV wurde mittels von 24 h Beobachtungsdaten erzielt, die mit dem im Jahr 2012 in Betrieb genommenen CT5-Teleskop aufgezeichnet wurden. Nach dem Krebs-Pulsar ist damit der Vela-Pulsar der zweite Pulsar, von dem sehr hochenergetische Gammastrahlung nachgewiesen wurde. Die Spektren von Pulsaren im Bereich der sehr hochenergetischen Gammastrahlung sind von besonderem Interesse, da sie Einblicke in einen bisher fast komplett unerforschten Energiebereich erlauben. Der experimentelle Nachweis stellt eine besondere Herausforderung dar, da die Rate der Gammastrahlen gemäß einem Potenzgesetz mit der Energie abfällt und die resultierenden Zählraten klein sind. Daher werden neue gewichtete Testgrößen eingeführt, um die Sensitivität für den Nachweis schwacher Pulsationen für zukünftige Beobachtungen von Pulsaren zu verbessern. Die Testgrößen sind Erweiterungen von bereits existierenden ungewichteten Verfahren und anwendbar auf beliebige diskrete Daten, in denen ein Puls oder mehrere Pulse erwartet werden. Sie sind leistungsfähig für den Fall unbekannter Phasenprofile und erzielen bei Standardgewichtung eine 10 %-ige Steigerung der Detektionssignifikanz. Die optimierte Analysekette wurde zur Detektion des Vela-Pulsars im Energiebereich von 15 GeV bis 125 GeV eingesetzt. Der phasengemittelte integrierte Energiefluss beträgt 4.29_(-1.02)^(+1.14)_stat _(-3.31)^(+5.50)_sys × 10^(-11) erg cm^(-2) s^(-1) und wird durch einen einzelnen Puls verursacht. Das Profil des Pulses kann durch eine asymmetrischen Lorentz-Funktion mit einer schmaleren abfallenden Flanke beschrieben werden. Der Photonfluß fällt gemäß einem Potenzgesetz mit Index -5.39 mit der Energie ab. Dies ist in guter Übereinstimmung mit einem theoretischen Annular-Gap-Emissionsmodell. / The analysis of the first pulsar to be detected with the H.E.S.S. array is presented. The high significance detection at the 11.4 s level down to a hitherto unachievable 15 GeV energy threshold is a result of 24 h of observations of the Vela pulsar with the new CT5 telescope introduced into the array in 2012. This is only the second pulsar to be detected in the very high energy (VHE) ?-ray regime. Of particular interest are the VHE spectra of pulsars as this is an almost completely unexplored energy domain. This does however entail smaller signals as the rate of ?-rays generally drops according to a power law function. New weighted statistical tests are introduced to improve the sensitivity to weak pulsations for use with future observations of pulsars. These tests are modifications of currently used tests and are applicable to any discrete data in which a single or many pulses are expected; they are powerful when the phase profile is unknown and with a basic weighting provide up to a 10 % boost in detection significance. An optimised analysis chain contributed to the detection of the Vela pulsar with phase averaged energy flux in the energy range (15,125) GeV of 4.29_(-1.02)^(+1.14)_stat _(-3.31)^(+5.50)_sys × 10^(-11) erg cm^(-2) s^(-1). The single pulse is characterised with an asymmetric Lorentzian function with a narrower trailing edge. The photon flux falls as a power law with index -5.39 which is moderately consistent with an Angular Gap emission model but represents a steeper drop in emission than that measured with the Fermi-LAT. The emission efficiency of the Vela pulsar in the VHE band is evaluated as 0.0025 %, which is comparable to that of the Crab pulsar in the same energy regime measured with the MAGIC telescope array. Comparisons to other candidate VHE pulsars are also drawn. A weak constraint is placed on the energy at which Lorentz invariance violation occurs in terms of the Planck energy as E_LIV>10^(-4) E_P.

Die Auswertung von Mehrschleifen-Feynman-Integralen ist eine der größten Herausforderungen bei der Berechnung präziser theoretischer Vorhersagen für die am LHC gemessenen Wirkungsquerschnitte. In den vergangenen Jahren hat sich die Nutzung von Differentialgleichungen bei der Berechnung von Feynman-Integralen als sehr erfolgreich erwiesen. Es wurde dabei beobachtet, dass die von den Feynman-Integralen erfüllte Differentialgleichung oftmals in eine sogenannte kanonische Form transformiert werden kann, welche die Integration der Differentialgleichung mittels iterierter Integrale wesentlich vereinfacht. Das zentrale Ergebnis der vorliegenden Arbeit ist ein Algorithmus zur Berechnung rationaler Transformationen von Differentialgleichungen von Feynman-Integralen in eine kanonische Form. Neben der Existenz einer solchen rationalen Transformation stellt der Algorithmus keinerlei weitere Bedingungen an die Differentialgleichung. Insbesondere ist der Algorithmus auf Mehrskalenprobleme anwendbar und erlaubt eine rationale Abhängigkeit der Differentialgleichung vom dimensionalen Regulator. Bei der Anwendung des Algorithmus wird zunächst das Transformationsgesetz im dimensionalen Regulator entwickelt, um Differentialgleichungen für die Koeffizienten in der Entwicklung der Transformation herzuleiten. Diese Differentialgleichungen werden dann mit einem rationalen Ansatz für die gesuchte Transformation gelöst. Es wird zudem eine Implementation des Algorithmus in dem Mathematica Paket CANONICA vorgestellt, welches das erste veröffentlichte Programm dieser Art ist, das auf Mehrskalenprobleme anwendbar ist. CANONICAs Potential für moderne Mehrschleifenrechnungen wird anhand mehrerer nicht trivialer Mehrschleifen-Integraltopologien demonstriert. Die gezeigten Topologien hängen von bis zu drei Variablen ab und umfassen auch vormals ungelöste Topologien, die zu Korrekturen höherer Ordnung zum Wirkungsquerschnitt der Produktion einzelner Top-Quarks am LHC beitragen. / The evaluation of multi-loop Feynman integrals is one of the main challenges in the computation of precise theoretical predictions for the cross sections measured at the LHC. In recent years, the method of differential equations has proven to be a powerful tool for the computation of Feynman integrals. It has been observed that the differential equation of Feynman integrals can in many instances be transformed into a so-called canonical form, which significantly simplifies its integration in terms of iterated integrals. The main result of this thesis is an algorithm to compute rational transformations of differential equations of Feynman integrals into a canonical form. Apart from requiring the existence of such a rational transformation, the algorithm needs no further assumptions about the differential equation. In particular, it is applicable to problems depending on multiple kinematic variables and also allows for a rational dependence on the dimensional regulator. First, the transformation law is expanded in the dimensional regulator to derive differential equations for the coefficients of the transformation. Using an ansatz in terms of rational functions, these differential equations are then solved to determine the transformation. This thesis also presents an implementation of the algorithm in the Mathematica package CANONICA, which is the first publicly available program to compute transformations to a canonical form for differential equations depending on multiple variables. The main functionality and its usage are illustrated with some simple examples. Furthermore, the package is applied to state-of-the-art integral topologies appearing in recent multi-loop calculations. These topologies depend on up to three variables and include previously unknown topologies contributing to higher-order corrections to the cross section of single top-quark production at the LHC.

Quantenfeldtheorien, die auf Räumen mit nichtkommutierenden Koordinaten definiert sind, finden in den letzten Jahren zunehmend Interesse. Mögliche Anwendungen dieser Modelle gibt es unter anderem in der Stringtheorie, der Phänomenologie der Elementarteilchen und in der Festkörperphysik. In der vorliegenden Arbeit untersuchen wir nichtstörungstheoretisch solche nichtkommutativen Feldtheorien mit Hilfe von Monte-Carlo Simulationen. Wir betrachten eine zweidimensionale reine U(1) Eichfeldtheorie und eine dreidimensionale skalare Feldtheorie. Dazu bilden wir die entsprechenden Gittertheorien auf dimensional reduzierte Modelle ab, die mittels N x N Matrizen formuliert sind. Die 2d Eichtheorie auf dem Gitter ist äquivalent zum twisted Eguchi-Kawai Modell, das wir für N=25 bis 515 simulierten. Wir beobachteten ein deutliches Skalierungsverhalten der Ein- und Zweipunktfunktionen von Wilson-Schleifen sowie von Zweipunktfunktionen von Polyakov-Linien bei großen N. Die Zweipunktfunktionen stimmen mit einer universellen Wellenfunktionsrenormierung überein. Der Doppel-Skalierungslimes bei N gegen unendlich entspricht dem Kontinuumslimes in der nichtkommutativen Gittereichtheorie. Das beobachtete Skalierungsverhalten bei großen N zeigt die nichtstörungstheoretische Renormierbarkeit dieser nichtkommutativen Feldtheorie. Für kleine Flächen gilt das Flächengesetz der Wilson-Schleifen wie in der kommutativen 2d planaren Eichtheorie. Für große Flächen finden wir jedoch stattdessen ein oszillierendes Verhalten. In diesem Bereich wächst die Phase der Wilson-Schleifen linear mit der Fläche. Identifiziert man den Nichtkommutativitätsparameter mit einem inversen Magnetfeld, entspricht dies dem Aharonov-Bohm-Effekt. Als nächstes untersuchen wir das 3d lambda phi^4 Modell mit zwei nichtkommutierenden Dimensionen. Wir analysieren das Phasendiagramm. Unsere Ergebnisse stimmen mit einer Vermutung von Gubser und Sondhi in vier Dimensionen überein. Sie sagen vorher, daß sich der geordnete Bereich in eine uniforme und eine nichtuniforme Phase aufspaltet. Desweiteren zeigen wir Ergebnisse für Korrelatoren und der Dispersionsrelation. In der nichtkommutativen Feldtheorie ist die Lorentz-Symmetrie explizit gebrochen, was zu einer deformierten Dispersionsrelation führt. In der Ein-Schleifen Störungstheorie ergibt sich ein zusätzlicher infrarot divergenter Term. Unsere Daten bestätigen dieses störungstheoretische Ergebnis. Wir bestätigen ebenso eine Beobachtung von Ambjorn und Catterall, daß eine nichtuniforme Phase auch in zwei Dimensionen existiert, obwohl dies eine spontane Brechung der Translationssymmetrie impliziert. / In the recent years there is a surge of interest in quantum field theories on spaces with non-commutative coordinates. The potential applications of such models include string theory, particle phenomenology as well as solid state physics. We perform a non-perturbative study of such non-commutative field theories by the means of Monte Carlo simulations. In particular we consider a two dimensional pure U(1) gauge field theory and a three dimensional scalar field theory. To this end we map the corresponding lattice theories on dimensionally reduced models, which are formulated in terms of N x N matrices. The 2d gauge theory on the lattice is equivalent to the twisted Eguchi-Kawai model, which we simulated at N ranging from 25 to 515. We observe a clear large N scaling for the 1- and 2-point function of Wilson loops, as well as the 2-point function of Polyakov lines. The 2-point functions agree with a universal wave function renormalization. The large N double scaling limit corresponds to the continuum limit of non-commutative gauge theory, so the observed large N scaling demonstrates the non-perturbative renormalizability of this non-commutative field theory. The area law for the Wilson loops holds at small physical area as in commutative 2d planar gauge theory, but at large areas we find an oscillating behavior instead. In that regime the phase of the Wilson loop grows linearly with the area. This agrees with the Aharonov-Bohm effect in the presence of a constant magnetic field, identified with the inverse non-commutativity parameter. Next we investigate the 3d lambda phi^4 model with two non-commutative coordinates and explore its phase diagram. Our results agree with a conjecture by Gubser and Sondhi in d=4, who predicted that the ordered regime splits into a uniform phase and a phase dominated by stripe patterns. We further present results for the correlators and the dispersion relation. In non-commutative field theory the Lorentz invariance is explicitly broken, which leads to a deformation of the dispersion relation. In one loop perturbation theory this deformation involves an additional infrared divergent term. Our data agree with this perturbative result. We also confirm the recent observation by Ambjorn and Catterall that stripes occur even in d=2, although they imply the spontaneous breaking of the translation symmetry.

Netzwerke sind überall, von der elektrischen Stromversorgung über die Biochemie der Zellen, das Internet bis hin zu sozialen Netzen. Netzwerke als mathematisches Konzept haben sich in den letzten Jahren zu einem wichtigen Werkzeug der Beschreibung komplexer Systeme entwickelt. Ihre grundlegende Eigenschaft ist, dass sie aus einer grö{ss}en Anzahl dynamischer Elemente bestehen, die sich gegenseitig beeinflussen und dabei nicht linear gekoppelt sind. Die moderne Netzwerkwissenschaft will die Wechselwirkung zwischen den einzelnen Untereinheiten erklären und davon ausgehend verständlich machen, auf welche Weise Prozesse auf einem Netzwerk stattfinden können. Zum Beispiel wird untersucht, wie die Struktur sozialer Netze die Ausbreitung von Information oder von Krankheiten beeinflusst, wie die Topologie des World Wide Web das Surf-Verhalten oder die Funktionalität von Suchmaschinen beeinträchtigt oder welche Auswirkungen die Hierarchie in ökologischen Nischen auf die Populationsdynamik der einzelnen Spezies hat. Darüber hinaus gilt es herauszufinden, welche grundlegenden Prinzipien der Evolution realer Netzwerke zugrunde liegen, das heißt nach welchen Regeln sich einerseits die Untereinheiten entwickeln und welchen Einfluss andererseits deren Vernetzung hat. Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich sowohl mit der Topologie verschiedener Netzwerke als auch mit den der Evolution zugrunde liegenden Prinzipien. Schwerpunkte liegen dabei auf den folgenden zwei Aspekten: erstens dem Einfluss von so gennanten ``vertex-pair correlations'''', das heißt Korrelationen zwischen den Untereinheiten, auf die Topologie und zweitens der Auswirkung der Geographie auf die Netzwerkentwicklung. Es wird der bedeutende Einfluss aufgezeigt, den die Korrelationen auf wichtige statistische Größen der Netzwerke haben. Weiterhin analysieren wir die Perkolationseigenschaften, die Aufschluss über die Empfindlichkeit gegenüber Störungen in der Vernetzung geben. Damit können zum Beispiel Fragen aus der Epidemiologie diskutiert werden. Es zeigt sich, dass die Topologie vieler Netzwerke und ihre Perkolationseigenschaften deutlich von Korrelationen beeinflusst werden. Schließlich untersuchen wir im letzten Teil dieser Arbeit, wie die Einbettung von Netzwerken in eine endlich-dimensionale Geographie auf die Modellierung und Entwicklung Web-ähnlicher Systeme Einfluss nimmt. / Networks are all around us, from electrical power grids to the biochemistry of cells, from the Internet to social webs. The mathematical concept of network has recently been turned into an important tool for describing complex systems, whose principal characteristic is that they consist of a large number of mutually interacting dynamical parts which are coupled in a nonlinear fashion. Modern network science attempts to explain the structure of interactions between the subunits of a system in order to understand their functioning and the processes taking place in them. It tries, for instance, to grasp how the structure of social networks affects the spread of information or human diseases, how the structure of the World Wide Web influences the search engines and surfing behavior, or how the hierarchy of ecological niches affects population dynamics. Beyond this, the ultimate goal of network science is to discover what generating principles exist behind the evolution of real systems. It tries to find the fundamental principles under which the subunits evolve, and the wiring of interactions. This thesis centres both on the study of the topological structure of networks and the analysis of the underlying principles responsible for their evolution. More specifically, it concentrates on the following aspects: the influence of vertex-pair correlations on network topology, the network percolation problem, which is closely related to the spreading of epidemics and the robustness of networks, and the effects of geography as a generating element. We show that important topological and percolation properties change considerably when modifying the connection probabilities between vertices, and that geography as well plays a crucial role in the modeling of evolving real web-like systems.

Für astrophysikalische Quellen, z.B. aktive galaktische Kerne, werden hochenergetische Neutrinoflüsse vorhergesagt. Neutrinos und Gammastrahlen werden in hadronischen Prozessen erzeugt, für die Protonen auf hohe Energien beschleunigt werden müssen. Da Neutrinos nur schwach wechselwirken und nicht von Magnetfeldern abgelenkt werden können, bleiben Flussstärken und ihre Richtung erhalten. IceCube, ein Kubikkilometer-Detektor der sich am Südpol befindet, kann solche Neutrinos nachweisen. In dieser Arbeit wurden Daten zweier Teilkonfigurationen IceCubes (22 und 40 Trossen) ausgewertet. Die Daten, die zwischen 2007 und 2009 gesammelt wurden, bestehen hauptsächlich aus atmosphärischen Myon-Neutrinos, die im Nordhimmel erzeugt wurden und hochenergetischen atmosphärischen Myonen aus dem Südhimmel. Eine zeitunabhängige Analyse, die nach Neutrino-Punktquellen im Nordhimmel sucht, wurde mit einem sensitivitäts-optimierten Datensatz von IceCube-22 durchgeführt. Die ganze Hemisphäre und eine Liste ausgewählter Quellen wurden analysiert, wobei kein Hinweis auf extraterrestrische Neutrino-Signale gefunden wurde. Um das Entdeckungspotenzial für eine variable Quelle zu erhöhen, wurde eine nicht-getriggerte zeitabhängige Analyse entwickelt. Diese Suche ist durch Neutrino-Photon-Korrelationen und Gammastrahlung-Ausbrüche kosmischer Objekte motiviert, jedoch wurden nur Neutrino-Daten verwendet. Ein grosser Bereich möglicher Strahlungsausbruchsdauer wurde abgedeckt. Die gebinnte Methode wurde zu einer ungebinnten Likelihood-Methode erweitert, so dass die Ergebnisse um 5-25% verbessert werden konnten. Auswahlkriterien für eine Liste zeitlich veränderlicher astrophysikalischer Quellen vom ganzen Himmel wurden für IceCube-22 und IceCube-40 entwickelt. Zum ersten Mal wurde eine zeitabhängige Suchmethode im Südhimmel benutzt. Es konnten keine Ereignisüberschüsse über dem Untergrund festgestellt werden. Demzufolge wurden obere Grenzen für Neutrinoflüsse aus diesen Quellen berechnet. / High energy neutrino astronomy relies on the predictions of neutrino fluxes coming from astrophysical objects, for example active galactic nuclei. In these models, neutrinos and gamma-rays are produced in hadronic processes, which require the acceleration of protons to very high energies. Since neutrinos hardly interact and travel towards Earth undeflected by magnetic fields, they can point back to their sources. IceCube, located at the South Pole, is a large volumen detector for high energy neutrinos. In this work, data from two partial configurations of IceCube (22 and 40 strings) are analyzed. The data cover 651 days, from 2007 to 2009, and consist mostly of atmospheric muon neutrinos in the Northern sky and high energy atmospheric muons in the Southern sky. A time integrated search for neutrino point sources in the Northern sky was developed and applied to an event sample obtained for the best sensitivity, with IceCube 22-string. The search was performed on pre-selected sources and the whole hemisphere was scanned. No evidence of a neutrino signal was found. In order to enhance the flare detection probability, an untriggered time dependent search that looks for neutrino events clustering in time from specific sources in the entire sky was developed. This search was motivated by neutrino-photon correlations and the observations of flaring objects in gamma-rays, but focuses only on the neutrino data, covering a wide range of possible flare durations. The search method was expanded from a binned approach to a newly developed unbinned likelihood method, improving the results by 5-25%. Moreover, for the first time the Southern sky was analyzed with a time dependent method. A source selection criteria was developed defining two lists of variable astrophysical sources, for IceCube 22 and 40-string. The results were compatible with background fluctuations for all sources tested. Therefore, upper limits on the neutrino fluence from these sources are presented.

In dieser Arbeit wird die Selbstorganisation in Halbleiterlasern mit ultrakurzer optischer Rueckkopplung untersucht. Es wurden eine Vielzahl neuer nichtlinearer dynamischer Szenarien experimentell praepariert und untersucht, wobei die Steuerung der relevanten Rueckkopplungsparameter ueber Injektionsstroeme erfolgt. Zwei verschiedene Typen von selbsterhaltenden Intensitaetspulsationen wurden abhaengig von der Phase und der Staerke der Rueckkopplung gefunden. Ein Pulsationstyp entsteht in einer Hopf-Bifurkation aus gedaempften Relaxationsoszillationen. Beim zweiten Pulsationstyp handelt es sich um Schwebungs-Oszillationen zweier verschiedener konkurrierender Moden der Gesamtkavitaet. Diese Ergebnisse repraesentieren experimentelle Beweise fuer theoretische Vorhersagen. Die Koexistenz von Schwebungsoszillationen und Relaxationsoszillationen fuehrt zum uebergang von regulaeren Pulsationen in chaotische Emission ueber eine quasiperiodische Route zum Chaos. Ein ploetzlicher Untergang des Chaos deutet auf ein Boundary-Crisis-Szenario hin. Die Existenz chaotischer Saettel, die transienten chaotischen Dynamiken nach einer Boundary Crisis zugrunde liegen und die Erregung von chaotischen Transienten ist eng verwandt mit konventioneller Erregbarkeit, wird experimentell verifiziert. Es wird der Einfluss externen Gaussschen Rauschens nahe von sub- und superkritischen Hopf-Bifurkationen untersucht. Rausch-induzierte Schwingungen tauchen als verrauschte Vorlaeufer in Form von lorentzfoermigen Spitzen im Powerspektrum auf. Der Kohaerenzfaktor, definiert durch das Produkt aus Hoehe der Spitze und Qualitaetsfaktor, zeigt fuer beide Typen von Hopf-Bifurkationen ein nichtmonotones Verhalten. Damit wird Kohaerenzresonanz experimentell demonstriert. Die Messungen zeigen neben diesen uebereinstimmungen auch qualitative Unterschiede zwischen den beiden Faellen. Die experimentellen Ergebnisse werden mittels eines allgemeinen Modells fuer rauschgetriebene Bewegungen in der Naehe von Bifurkationen untersucht. / In this work, self-organization in semiconductor lasers with ultra-short optical feedback is investigated. Exploiting dc currents to tune the relevant feedback parameters, we have experimentally prepared and studied a number of novel nonlinear dynamical scenarios. Two different types of self-sustaining intensity-pulsations are detected depending on strength and phase of the feedback. One type of pulsations is emerging in a Hopf-bifurcation from relaxation oscillations. The second type of pulsations is a beating of distinct compound-cavity modes. It is also born in a Hopf bifurcation. These findings represent experimental evidence for theoretical predictions. Coexistence of mode beating and relaxation oscillations gives rise to the break-up of regular pulsations into chaotic emission via a quasi-periodic route to chaos. The sudden destruction of chaos is indicative of a boundary crisis scenario. The existence of chaotic saddles underlying transient chaotic dynamics which appears behind boundary crisis is experimentally verified. It is experimentally demonstrated that an excitation of chaotic transients is closely related to a conventional excitability. The influence of external Gaussian noise close to the onset of sub- and super-critical Hopf bifurcations is studied. Noise-induced oscillations appear as a noisy precursor with Lorentzian shape peak in the power spectrum. The coherence factor defined by the product of height and quality factor exhibits non-monotonic behavior with a distinct maximum at a certain noise intensity for both types of Hopf bifurcations, demonstrating coherence resonance. Besides these similarities, the measurements reveal also qualitative differences between the two cases. Whereas the width of the noise induced peak increases monotonically with noise intensity for the supercritical bifurcation, it traverses a pronounced minimum in the subcritical case. The experimental findings are examined in terms of general model for the noise driven motion close to bifurcations.