Diese Arbeit beschreibt eine ausfŸhrliche Untersuchung der physikalischen Eigenschaften von Mikrokugelresonatoren aus Quarzglas. Diese Resonatoren unterstŸtzen sogennante whispering-gallery Moden (WGM), die GŸten so hoch bis 109 bieten. Als experimentelle Hilfsmittel wurden ein Nahfeld- und ein Konfokalmikroskop benutzt, um die Struktur der Moden bezŸglich der Topographie des Resonators eindeutig zu identifizieren, oder um einzelne Quantenemitter zu detektieren und anzuregen. Die resonante †berhšhung des elektromagnetischen Feldes in den Moden des Resonators wurde ausgenutzt, um stimulierte Raman-Streuung mit extrem niedrigem Schwellenwert im Quarzglas zu beobachten. Ein Rekordschwellenwert von 4.5 Mikrowatts wurde gemessen. Mittels einer Nahfeldsonde wurde die Modenstruktur des Mikro-Ramanlasers gemessen. Mikroresonatoren stellen einen Grundbaustein der Resonator-Quantenelektrodynamik dar. In dieser Arbeit wurde die Kopplung von einem einzelnen strahlenden Dipol an die WGM sowohl theoretisch als auch experimentell untersucht. Die kontrollierte Kopplung von einem einzelnen Nanoteilchen an die WGM eines Mikrokugelresonators wurde nachgewiesen. Erste Ergebnisse in der Kopplung eines einzelnen Emitters an die Moden des Resonators wurden erzielt. Die resonante Wechselwirkung mit Resonatormoden wurde ausgenutzt, um den Photonentransfer zwischen zwei Nanoteilchen dramatisch zu verstŠrken. Schlie§lich wurde die bislang unbeachtete Analogie zwischen dem Quantensystem eines einzelnen Emitters in Wechselwirkung mit einer einzelnen Resonatormode und dem klassischen System zweier gekoppelten Moden experimentell untersucht. Es wurde bewiesen, wie die aus der Resonatorquantenelektrodynamik bekannten Kopplungsregime der starken und schwachen Kopplung in Analogie auch an einem klassischen System beobachtet werden kšnnen. Der †bergang von schwacher zu starker Kopplung wurde beobachtet, und bislang gemessene unerwartet hohe Kopplungsraten konnten einfach erklŠrt werden. / This work presents an extensive study of the physical properties of silica microsphere resonators, which support whispering-gallery modes (WGMs). These modes feature Q-factors as high as 109 corresponding to a finesse of 3 millions for spheres with a diameter of about 80 micrometers. These are to date among the highest available Q-factors, leading to cavity lifetimes of up to few microseconds. A near-field microscope and a confocal microscope are used as tools to unequivocally identify the mode structure related to the sphere topography, and for excitation and detection of single quantum emitters. The high field enhancement of the cavity modes is exploited to observe ultra-low threshold stimulated Raman scattering in silica glass. A record ultra-low threshold of 4.5 microwatts was recorded. The mode structure of the laser is investigated by means of a near-field probe, and the interaction of the probe itself with the lasing properties is investigated in a systematic way. Microcavities also one of the building blocks of Cavity QED. Here, the coupling of a radiative dipole to the whispering-gallery modes has been studied both theoretically and experimentally. The controlled coupling of a single nanoparticle to the WGMs is demonstrated, and first results in coupling a single quantum emitter to the modes of a microsphere are reported. The resonant interaction with these modes is exploited to enhance photon exchange between two nanoparticles. Finally a novel analogy between a system composed of a single atom interacting with one cavity mode on one side and intramodal coupling in microsphere resonators induced by a near-field probe on the other side is presented and experimentally explored. The induced coupling regimes reflect the different regimes of weak and strong coupling typical of Cavity QED. The transition between the two coupling regimes is observed, and a previously observed unexpectedly large coupling rate is explained.

In der vorliegenden Arbeit untersuchen wir verschiedene Aspekte von Herzrhythmen, von einzelnen Zellen bis zu den gesamten menschlichen Vorhöfen. Das Hauptprojekt ist die Entwicklung eines realistischen und effizienten Modells für die Erregungsausbreitung in den menschlichen Vorhöfen. Im ersten Kapitel untersuchen wir stimulierte Herzellen und den Verlust vom 1:1-Rhythmus für steigende Frequenzen. Weiter untersuchen wir Wellenausbreitung in Gewebe mit besonderen elektrophysiologischen Eigenschaften, die mit chronischen Erkrankungen der Vorhöfe in Verbindung stehen. Dann wenden wir uns Ionenmodellen zu, die ein zentraler Teil des Vorhofmodells sind. Wir untersuchen die Auswirkungen einer Verletzung der Ladungserhaltung, die in allen Ionenmodellen vorliegt, die die Konzentrationen der Ionen als Variablen enthalten, und erklären, warum diese Auswirkungen meist vernachlässigbar sind. Wir entwickeln weiter eine Methode, Ionenmodelle zu vereinfachen und dabei ihre für die Wellenausbreitung wichtigen Eigenschaften nur minimal zu verändern. Diese Methode wenden wir auf ein realistisches Ionenmodell für menschliches Vorhofgewebe an und kombinieren es mit anatomischen Daten, um das gewünschte realistische Vorhofmodell zu erhalten. Schließlich benutzen wir dieses Modell, um mögliche Mechanismen der Enstehung von Herzrhythmusstörungen zu untersuchen. / In this thesis, we study heart rhythms at different levels, from single cells to the entire human atria. The main project of this thesis is the development of a realistic and efficient model of wave propagation in the human atria. We start by studying paced single cells and their loss of 1:1 rhythmicity for increasing frequency. We go on to study wave propagation in tissue with special electrophysiologic properties, related to chronical disease of the atria. Then we treat ionic models, which are a central part of our atrial model. We discuss a recently discovered mathematical degeneracy present in all models of cardiac cells that include intracellular ion concentrations and we explain why this degeneracy has only a negligible effect on wave propagation. We develop a method to reduce the complexity of ionic models while closely retaining their wave propagation properties. Then we apply this method to a realistic ionic model of the human atria and combine it with anatomical data to get the desired model. We use this model to explore possible mechanisms for the genesis of arrhythmias.

Die folgende Arbeit befasst sich mit der Vorhersagbarkeit und der zeitlichen Struktur von Indizes der klimatischen Variabilität des tropischen Pazifiks, bekannt in der Jahrzentenskala als El-Nino-Southern Oscillation (ENSO). Untersucht wurden die Zeitreihen der Anomalien und Persistenzen der Southern Oscillation Index (SOI), den Multivariate ENSO Index (MEI) und die Meeresoberflächentemperatur (SST). Methoden der dynamischen und bedingten schannonschen Entropien wurden für die Untersuchung der Vorhersagbarkeit von symbolischen Sequenzen der Zeitreihen angewendet. Die Untersuchung der bedingten Entropien für symbolische Sequenzen ergibt, dass die meist vorhersagbare Evente von ENSO nach konstanten Teilsequenzen stattfinden. Für mehrere Evente sind zeitliche Korrelationen nachweisbar, die die Vorhersagbarkeit eines Symbols nach einer Teilsequenz in Funktion derer Länge bestimmen. Die Evolution nach Teilsequenzen, die Übergangszuständen entsprechen, sind mit vergleichsweiseniedrigeren Vorhersagbarkeiten versehen. Dabei ist auf die meist vorhersagbaren Teilsequenzen im Detail eingegangen. Es wurde weiterhin festgestellt, dass sich die SST in den meisten Fällen als die zuverlässigste Informationsquelle erweist. Die Analyse der Waveletspektren der Zeitreihen zeigt starke Periodizitäten der Ordnung zwischen 2 und 4 Jahren, die zwischen 1900 und 1960, und 1970 und 2000 in ENSO auftreten. Es besteht Evidenz dafür, dass diese Frequenzkomponenten nicht von einem gefiteten Markovprozess erster Ordnung zurückzuführen sind. Eine Steigung der Frequenzkomponenten zu niedrigeren Perioden ist weiterhin in den Anomalien der Meerestemperatur vorzuweisen. / This doctoral thesis is concerned with the problems of the predictability and the temporal structure of indices of the climatic variability in the tropical Pacific, which is known in the scale of decades as El Nino-Southern Oscillation (ENSO). For this purpose, time series of the anomalies and persistences of the Southern Oscillation Index (SOI), Multivariate ENSO Index (MEI) and of the Sea Surface Temperature (SST) were investigated. Methods of the dynamical and conditional shannon entropies were applied for the investigation of the predictability of symbolic sequences derived from the time series. The investigation of the conditional entropies for symbolic sequences shows that the most probable Events of ENSO occur after constant short sequences. Time correlations are found for several events; these determine the predictability of a sequence as a function of its length. The evolutions of short sequences representing transitions between ENSO states are relatively less predictable. The most predictable short sequences have been studied in detail. It was further found that, in most cases, SST is the most reliable information source. The analysis of the wavelet spectra of the time series shows strong periodicities of 2 to 4 years, which appear between 1900 and 1960, and between 1970 and 2000 in ENSO. There is evidence of a non-markovian process being responsible for these frequency components. Furthermore, the anomalies of the SST series show a gradient of frequency components towards smaller periods.

Knochen ist ein multifunktionales Organ und zugleich ein biologisches Material. In dieser Arbeit wird der Heilungsverlauf eines Knochenbruchs (als biologisches Material) näher untersucht mit Hilfe von Computermodellen. Im menschlichen Körper kommt es nach einem Bruch zu einer vollständigen Regeneration des Knochens, ohne dass eine Narbe nach der Heilung zurückbleibt. In grob 10% der Frakturen kommt es jedoch zu Komplikationen bis zu einem Nicht-Heilen des Bruches. Das Ziel von intensiver interdisziplinärer Forschung ist es daher, nicht nur die medikamentöse Behandlung solcher Komplikationen zu verbessern, sondern auch durch externe, biophysikalische Stimulation die Heilung anzuregen. Gewöhnlich heilt ein Knochenbruch nicht direkt (Primäre Knochenheilung), das heißt durch Bildung von neuem Knochen im Knochenspalt, sondern über Sekundäre Knochenheilung. Während der sekundären Heilung bildet sich vorübergehend zusätzliches Gewebe außerhalb des Frakturspaltes, der so genannte Kallus, der die Aufgabe hat, den Bruch zu stabilisieren. Im Kallus werden im Laufe der Heilung verschiedene Gewebearten gebildet (z.B. Bindegewebe, Knorpel und Knochen). Die Gewebe werden von spezialisierten biologischen Zellen gebildet. Die spezialisierten Zellen entwickeln sich aus mesenchymalen Stammzellen (d.h. sie differenzieren), die in den Kallus wandern. Hauptziel der Arbeit ist das bessere Verständnis der mechano-biologischen Regulation der Gewebeformation während der Heilung eines normalen Knochenbruches. Dazu wurden Computersimulationen durchgeführt und mit experimentellen Daten eines Schafmodels verglichen. / Bone is a multifunctional organ, a biological material and is able to fully restore bone fractures without leaving a scar. However, in about 10% of the bone fractures, healing does not lead to a successful reunion of the broken bone ends. Intensive interdisciplinary research therefore looks for new ways to promote healing not only by medication, but also by external biophysical stimulation. Usually, bone fractures do not heal by a direct bridging of the fracture gap with newly formed bone (primary bone healing). Instead, secondary bone healing proceeds indirectly via the formation of an external callus (additional tissue). Within the callus, intricate tissue type patterns are formed, which evolve during the healing progression. Stem cells differentiate into specialized cells, which lay down different tissues such as fibrous tissue, cartilage and bone. This cell differentiation can be biophysically stimulated, e.g. by mechanical deformation of the cytoskeleton. The main aim of this thesis was to connect the microscopic cell response to mechanical stimulation with the macroscopic healing progression. Simple rules for cell behaviour were implemented in a computer model, the progression of healing was simulated and the outcome of the simulations was compared to results from animal experiments. In comparison to existing simulations of bone healing, this study approached the problem from a more physical viewpoint and linked experimental in vivo data and computer modelling.

In der vorgelegten Arbeit wurden zwei Arten von Quantendrahtstrukturen untersucht, die mittels Molekularstrahlepitaxie (MBE) hergestellt wurden. Erstens ist dies eine laterale Quantendrahtstruktur, die sich entlang einer Mesakante durch selektives Wachstum auf strukturierten GaAs (311)A-Substraten ausbildet. Zunächst wurden vertikal gestapelte Quantendrähte mit starker elektronischer Kopplung realisiert. Weiterhin wurden, unter Nutzung des amphoteren Einbaus von Si, p-i-n-Leuchtdioden mit einem einzelnen Quantendraht in der aktiven Zone hergestellt, die sich durch selektive Ladungsträgerinjektion in die Quantendrähte auszeichnen. Die Leuchtdioden wurden weitergehend mittels Mikrophotolumineszenz(µ-PL), Kathodolumineszenz (CL) und Elektronenstrahl-induziertem Strom (EBIC) charakterisiert. Zur Erklärung der selektiven Elektrolumineszenz (EL) wurde ein Modell, basierend auf der lateralen Diffusion von Elektronen und Löchern, vorgeschlagen. Für verspannte Systeme wurde der Einfluss von atomarem Wasserstoff auf das Wachstum von (In,Ga)As auf GaAs (311)A und die Bildung von lateralen Quantendrähten untersucht. Atomarer Wasserstoff spielt dabei die Rolle eines Surfaktanden und unterdrückt deutlich die Bildung von dreidimensionalen Inseln. Zweitens wurde das Wachstum von verspannten (In,Ga)As-Schichten auf GaAs (100) untersucht. Es zeigte sich, dass die dreidimensionale Inselbildung durch die Wachstumskinetik bestimmt ist, und ein Übergang von symmetrischen zu asymmetrisch verlängerten Inseln bei Erhöhung der Wachstumstemperatur auftritt. Dieser Prozess wird durch das Zusammenspiel von Oberflächen- und Verspannungsenergie bestimmt, wobei die experimentellen Befunde in guter Übereinstimmung mit den theoretischen Arbeiten von Tersoff und Tromp sind. Ausgehend von asymmetrischen (In,Ga)As-Inseln wurden selbstorganisierte Quantendrähte hergestellt, deren Homogenität und Länge sich durch Wachstum einer Vielschichtstruktur deutlich erhöhen. Strukturell wurden die (In,Ga)As-Quantendrähte mittels Rasterkraftmikroskopie (AFM), Röntgendiffraktometrie (XRD) und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) untersucht. Der laterale Ladungsträgereinschluss in den Quantendrähten zeigte sich deutlich in polarisationsabhängigen Photolumineszenz- und Magnetophotolumineszenzmessungen. / The present work focuses on two types of quantum wire structures which were grown by molecular beam epitaxy (MBE). First, the sidewall quantum wires based on the selective growth on mesa stripe patterned GaAs(311)A are studied. Single stacked sidewall quantum wires with strong electronic coupling have been fabricated. p-i-n type LEDs of the quantum wires employing the amphoteric Si incorporation for p- and n-type doping on GaAs(311)A have been fabricated. Strong selective carrier injection into the quantum wires is observed in electroluminescence (EL) measurements. The samples are characterized by micro-photoluminescence (µ-PL), cathodoluminescence (CL), as well as electron beam induced current (EBIC) measurements. To account for the highly selective EL, a model is proposed, which is based on the lateral diffusion of electrons and holes resulting in self-enhanced carrier injection into the quantum wires. Atomic hydrogen effects in the growth of (In,Ga)As on GaAs(311)A and its application to the sidewall quantum wire are investigated. It is found that atomic hydrogen suppresses island formation. Atomic hydrogen delays the relaxation by islanding thus playing the role of a surfactant. Second, the growth of (In,Ga)As layers on GaAs(100) is investigated showing that the formation of coherent 3D islands is a kinetically limited process. The transition from square-shaped islands to elongated islands is observed by changing the growth temperature for the growth of (In,Ga)As single layers. The elongation of the islands is a tradeoff between the surface free energy and the strain energy. A quantitative comparison between the experimental results and the theoretical work done by Tersoff and Tromp shows a good agreement. Self-organized quantum wires based on elongated discolation-free islands have been fabricated. The uniformity of the quantum wires is greatly improved by a superlattice growth scheme which also makes the wires much longer. The structural characterization of the quantum wires is performed by atomic force microscopy (AFM), x-ray diffractometry (XRD), and transmission electron microscopy (TEM). The lateral carrier confinement in the quantum wires is confirmed by polarization dependent PL and magneto-PL measurements.

Diese Arbeit leistet einen Beitrag zum Verständnis optischer Anregungen in metallischen Nanostrukturen. Am Beispiel ausgewählter Strukturen werden experimentell die Dynamik dieser Anregungen mit Femtosekunden-Zeitauflösung und ihre elektromagnetischen Moden auf der Nanometer-Längenskala untersucht. Anhand winkel- und zeitaufgelöster Transmissionsexperimente an metallischen Dünnfilmgittern wird gezeigt, dass resonante Oberflächenplasmon-Polaritonen (OPPen) wesentlich die optischen Eigenschaften dieser Strukturen beeinflussen. Die Lebensdauer solcher Anregungen wird ermittelt und damit nachgewiesen, dass Kopplungen zwischen OPP-Resonanzen drastische Lebensdauer-Modifikationen zur Folge haben. In einem eigens konstruierten, spektral auflösenden optischen Nahfeldmikroskop werden die elektromagnetischen Feldverteilungen der OPPen direkt abgebildet. Derartige Experimente erlauben erstmals eine Zuordnung der räumlichen Moden zur zeitlichen Dynamik verschiedener OPP-Resonanzen. Diese Erkenntnisse ermöglichen zudem eine Interpretation des nahfeldmikroskopischen Bildkontrasts bezüglich der Beiträge verschiedener vektorieller Komponenten des optischen Nahfeldes. Die selektive Abbildung unterschiedlicher elektrischer und magnetischer Feldkomponenten in Abhängigkeit vom Sondentyp wird demonstriert. Darüberhinaus wird die OPP-Erzeugung in einem Gitter auf dem Schaft einer Nahfeldspitze ausgenutzt, um propagierende OPPen im Apex zu konzentrieren. Ein weiterer Teil der Arbeit nutzt elektrische Feldüberhöhungen an scharfen Metallspitzen für die lokalisierte Erzeugung nichtlinearer optischer Signale. Die Beobachtung intensiver Multiphoton-Elektronenemission nach Femtosekundenanregung stellt ein zentrales Ergebnis dar. Dieser Prozess wird umfangreich charakterisiert und findet seine erste Anwendung in einer neuartigen Rastersondentechnik, in der die örtlich variierende Elektronenemission der Bildgebung dient. / This thesis contributes to the understanding of optical excitations in metallic nanostructures. In experiments on selected model structures, the dynamics of these excitations and their electromagnetic spatial modes are investigated with femtosecond temporal and nanometer spatial resolution, respectively. Angle- and time-resolved transmission experiments on metallic thin film gratings demonstrate the dominant role resonant surface plasmon polaritons (SPPs) play in the optical properties of such structures. The lifetimes of these excitations are determined, and it is shown that coherent couplings among SPP-resonances result in drastic lifetime modifications. The spatial SPP mode profiles are imaged using a custom-built near-field optical microscope. The experiments reveal a direct correlation between the spatial mode structure and the dynamics of different SPP resonances. These findings allow for an interpretation of the near-field optical image contrast in terms of the contributions of different vectorial components of the electromagnetic near-field. A selective imaging of different electric and magnetic field components is demonstrated for various types of near-field probes. Furthermore, the excitation of SPPs in periodic structures is employed in a novel type of near-field tip. The resonant excitation of SPPs in a nanofabricated grating on the shaft of a sharp metallic tip results in their concentration at the tip apex. The final part of the thesis highlights the importance of optical field enhancements for the local generation of nonlinear optical signals at the apex of sharp metallic tips. Specifically, the observation of intense multiphoton electron emission after femtosecond excitation is a major result. This process is thoroughly characterized, and a novel scanning microscopy application based on this effect is presented. In this technique, an image contrast with nanometer resolution arises from spatially varying electron emission rates.

Strontiumtitanat ist ein häufig untersuchtes Oxidmaterial, mit einem breiten Anwen- dungsgebiet z.B. in der Photokatalyse oder auch als Substratmaterial beim Wachstum ande- rer Oxidschichten. Dabei spielen chemische Prozesse an der Oberfläche eine herausragende Rolle, deren Kenntnis für eine tieferes Verständnis der genannten Anwendungen unentbehrlich ist. Darüberhinaus gibt es deutliche Hinweise darauf, dass diese Oberflächenprozesse sehr stark, u.a. von Wasserstoff und Wasser beeinflußt werden. Sowohl wegen der Relevanz als auch wegen der technischen Machbarkeit, stellt eine Untersuchung des Adsorptionsverhaltens von Sauerstoff und Wasserstoff mit Hilfe der Dichtefunktionaltheorie einen natürlichen Ausgangspunkt dar, um genaue Einblicke in die Prozesse auf der Oberfläche auf atomare Ebene zu gewinnen. Bei der Adsorption des Sauerstoffs und des Wassers ist gleichermaßen auffällig, dass die Bindungsenergien sehr stark durch langreichweitige Verzerrungen im Substratgitter beeinflußt werden, welche damit eine effektive repulsive Wechselwirkung der adsorbierten Spezies bewirken. Adsorbierte Sauerstoffatome bilden mit jeweils einem Sauerstoffatom des Subtrats ein „Quasi-Peroxid-anion“, wodurch das adsorbierte Sauerstoffatom einen Gitterplatz einnimmt, der nicht einem Sauerstoffplatz des Perovskitgitters entspricht. Im Gegensatz dazu wurden bei allen untersuchten atomaren Konfigurationen, die Wasser und Hydroxylgruppen enthielten, beobachtet, dass sich hier die adsorbierten Sauerstoffatome an den Plätzen des forgesetzten Perovskitgitters befinden. Bemerkenswert ist die spontane Dissoziation und Bildung eines Hydroxylpaares auf der Strontiumoxidterminierung während des Adsorption des Wassermoleküls. Auf der Titandioxidterminierung hingegen werden abhängig von der Bedeckung Wassermoleküle und Hydroxylgruppen beobachtet. Die Energetik, die diesem Verhalten zugrunde liegt, zeigt sehr gute Übereinstimmung mit den experimen- tellen Beobachtungen von Iwahori und Kollegen. / Strontium titanate is an extensively studied material with a wide range of application, for instance in photo-catalysis and most importantly, it is used as a substrate in growth of functional oxides. The surface chemistry is crucial and hence understanding the surface structure on atomic scale is essential for gaining insight into the fundamental processes in the aforementioned applications. Moreover, there exist a lot of evidence that this surface chemistry might be controlled to considerably by extrinsic species, such as residual hydrogen and water. Investigating the properties of water and oxygen on the strontium titanate surface is certainly a natural starting point for a theoretical study based on density functional theory, because these species are practically present on the surface on a wide range of experimental conditions and they are computationally feasible. For the oxygen and water adsorption the binding energy is controlled by long-range surface relaxations leading to an effective repulsion of the adsorbed specimen. The isolated oxygen ad-atom forms a covalently bonded “quasi-peroxide anion” in combination with a lattice oxygen atom. Contrariwise, in all investigated configurations containing water molecules and hydroxyl groups, the respective oxygen atoms assumed positions close to the oxygen sites of the continued perovskite lattice of the substrate. Most remarkably, on the strontium oxide termination, the water molecules adsorbs and dissociates effortlessly leading to the formation of a pair of hydroxyl groups. For the titanium dioxide termination, a coverage dependent adsorption mode is observed. Densely packings stabilize water molecules, whereas at lower coverage and finite temperatures the formation of hydroxyl groups is found. The energetics responsible for this behavior is consistent with recent experiments by Iwahori and coworkers.

Zusammenfassung Zur Freisetzung ihres Genoms in das Innere der Wirtszelle müssen Hüllviren ihre Membran mit der Membran der Wirtszelle verschmelzen. Diese Fusion wird durch eine Konformations- umwandlung der Ektodomäne viraler Glykoproteine ausgelöst. Die Kenntnis der drei- dimensionalen Struktur der vollständigen Ektodomäne in der fusionsaktiven Konformation ist Voraussetzung für das Verständnis des Fusionsmechanismus. Die Fusion von Influenza mit entsprechenden Targetmembranen wird durch eine durch sauren pH ausgelöste Konformationsänderung des als Trimer vorliegenden Glykoproteins Hämagglutinin (HA) vermittelt. Bis jetzt war die dreidimensionale (Röntgenkristall-) Struktur einer enzymatisch abgespaltenen HA-Ektodomäne nur eines Influenzastammes bei neutralem pH-Wert bzw. von einigen Fragmenten der HA2-Untereinheit bei saurem pH-Wert bekannt. In der vorliegenden Arbeit wurden ein geeigneter Influenzastamm sowie geeignete Untersuchungsbedingungen ermittelt, um die 3D-Struktur des kompletten, nicht enzymatisch vorbehandelten HA sowohl in seiner nativen (bei neutralem pH-Wert vorliegenden) als auch in seiner fusionskompetenten (keinesfalls aber bereits inaktivierten) Struktur mittels Kryo- Elektronenmikroskopie und Bildverarbeitung aufzuklären. Es wurde erstmals die 3D-Struktur des kompletten HA eines anderen Influenzastammes (A/Japan) bei neutralem pH-Wert aufgeklärt und mit der bekannten 3D-Struktur von Influenza X-31 verglichen. Außerdem konnte eine fusionskompetente Form rekonstruiert werden, die im Vergleich zur nativen Konformation deutliche Veränderungen in der 3D-Struktur zeigt, ohne daß sich jedoch die Assoziation der Monomere aufhob. Die Befunde werden unter anderem in Hinblick auf die Bedeutung der HA1-Untereinheit für die Fusion diskutiert. Die vorgestellte Methode scheint geeignet, auch andere Membranproteine bzw. Membranfusion-vermittelnde Proteine in verschiedenen konformeren Zuständen aufzuklären (insbesondere jene, die der Röntgenkristallstrukturanalyse nicht zugänglich sind) und so einen diesen Fusionsprozessen eventuell zugrundeliegenden konservierten Funktionsmechanismus aufzuhellen. / Abstract Envelope viruses enter a host cell via fusion between the viral and endosomal membrane, thereby releasing the nucleocapsid into the cytoplasm. The fusion has been accompanied with an conformational change in the ectodomain of viral glycoproteins. To understand the mechanism leading to fusion the three-dimensional (3D) structure of the complete viral glycoprotein in its fusion competent conformation has to be determined. The Fusion of influenza virus which is triggered at low pH has been associated with an irreversible conformational change in the trimeric glycoprotein hemagglutinin (HA). The three-dimensional (crystal) structure is already known of the enzymatic-cleaved ectodomain of one influenza strain (X-31) at neutral pH or of some fragments of the HA2-subunit at low pH, respectively. In this work a suitable influenza strain as well as suitable experimental conditions for investigations of the 3D-structure of the complete and not enzymatically treated HA at neutral and acidic pH conditions have been determined. An cryo-microscopy/angular reconstitution approach has been employed for the 3D- reconstruction of the intact HA of an different influenza strain (A/Japan). This structure is in excellent agreement with the known X-ray crystallographic structure of the bromelain- cleaved ectodomain of HA from influenza X-31. Moreover, for the very first time the 3D structure of the intact HA of Influenza A/Japan in its fusion competent state (at acidic pH) has been calculated. The differences between the two structures are large compared to the marginal differences between the neutral pH structures by EM and by X-ray crystallography, respectively, although the monomers remain tightly connected. These findings will be discussed especially with regard to the role of the HA1 subunit in the fusion process. The procedure is in general applicable to pursue the 3D-structure of (fusion mediating) proteins in various conformational states (especially of those proteins which are not directly accessible by X-ray crystallography). This approach should offer to elucidate the (eventually conserved) mechanism of membrane fusion.

Diese Dissertation beschäftigt sich mit theoretischen Untersuchung der elektronischen und magnetischen Eigenschaften von 4f-Systemen mit Filmgeometrie. Die vorgestellte Theorie basiert auf dem s-f-Modell, welches durch einen intra-atomaren Austausch zwischen einem System lokaler magnetischer Momente und den Leitungselektronen charakterisiert ist. Das Modell wird für den Fall des leeren Leitungsbandes untersucht. Der untersuchte Spezialfall ist anwendbar auf die Klasse der ferromagnetischen Halbleiter mit den Europiumchalkogeniden EuO und EuS als Prototypen solcher Substanzen. Für den Grenzfall ferromagnetischer Sättigung des Systems lokaler magnetischer Momente existiert eine exakte Lösung für das Problem. Für endliche Temperaturen wird eine Methode vorgestellt, die auf einer momentenerhaltenden Entkopplungsprozedur für passend definierte Green-Funktionen basiert. Die Theorie für endliche Temperaturen leitet sich dabei übergangslos aus dem exakt lösbaren Grenzfall ab. Mit Hilfe der vorgestellten Theorie wird das temperaturabhängige Quasiteilchenspektrum eines ferromagnetischen Modellfilmes berechnet. Die Rechnungen zeigen ein deutliches korrelationsinduziertes Aufspalten der Spektren, das in der Existenz eines neuen Quasiteilchens, des magnetischen Polarons, resultiert. Der zweite Teil der Dissertation beschäftigt sich mit der Berechnung der elektronischen und magnetischen Eigenschaften eines realen ferromagnetischen Halbleiterfilms. Um den vielfachen Leitungsbändern eines realen Systems Rechnung tragen zu können, wird das ursprüngliche s-f-Modell zu einem Mehrbandmodell erweitert. Das so erweiterte s-f-Modell wird dazu benutzt, die temperaturabhängige Bandstruktur von Volumen-EuO und von EuO(100)-Filmen zu berechnen. Die T=0-Bandstrukturen, die als Input für die Modellrechnungen dienen, werden hierbei mittels einer TB-LMTO-ASA-Bandstrukturrechnung berechnet. Die spezielle Struktur der Lösung des s-f-Modells für den exakt lösbaren Grenzfall von T=0 verhindert dabei das Auftreten von Doppelzählungen relevanter Wechselwirkungen bei der Kombination von ab-initio-Rechnungen und s-f-Modellrechnungen. Die erhaltenen temperaturabhängigen Bandstrukturen geben wertvolle Einblicke in das Wechselspiel zwischen elektronischen und magnetischen Eigenschaften in EuO-Systemen und gestatten es, verifizierbare Vorhersagen für künftige Experimente zu machen. Insbesondere wird die Existenz eines EuO(100)-Oberflächenzustandes vorhergesagt, der das Auftreten eines Oberflächen-Metall-Isolator-Übergangs induzieren kann. / This dissertation is concerned with the theoretical investigation of the electronic and magnetic properties of 4f systems with film geometry. The presented theory is based on the s-f model which features an intra-atomic exchange between a system of localized magnetic moments and the conduction electrons. The model is investigated for the special case of zero band occupation of the conduction bands which is applicable to the situation in ferromagnetic semiconductors such as the europium chalcogenides EuO and EuS. For the special case of ferromagnetic saturation of the local-moment system the problem is exactly solvable. For finite temperatures, the presented approach is based on a moment-conserving decoupling approximation for suitably defined Green functions and evolves continuously from the exact limiting case. The theory is used to calculate the temperature-dependent quasiparticle spectrum of a ferromagnetic model film. Within these calculations, one finds a marked correlation-induced splitting of the spectra resulting in the existence of a new quasiparticle, the magnetic polaron. The second part of the thesis is devoted to the calculation of the electronic and magnetic properties of a real ferromagnetic semiconductor film. The original s-f model is extended to a multi-band s-f model to account for the multiple conduction bands in a real system. Based on the resulting model, the temperature-dependent band structures of bulk EuO and EuO(100) films are calculated. Here, the T=0 band structures of the systems, which have to be taken as input for the model calculations, are calculated using the TB-LMTO-ASA band-structure technique. Due to the special form of the solution of the s-f model for the exactly solvable limiting case of T=0 the employed approach for combining the first-principles calculations with the model calculations prevents the problem of double counting of relevant interactions. The calculated temperature-dependent band structures yield a valuable insight into the temperature-dependent interplay between the magnetic and electronic properties in the EuO systems and allow to make verifiable predictions for future experiments. In particular, the existence of a EuO(100) surface state has been predicted and been shown to possibly induce a surface insulator-metal transition.

Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung einer Methode zur Energierekonstruktion von Myonen in Unterwasserteleskopen unter Verwendung der Amplituden und Trefferwahrscheinlichkeiten der Photomultiplier. Die Methode wird auf die Daten des Myon- und Neutrinoteleskopes NT-96 angewandt. / This thesis describes the development of a method for energy reconstruction of muons which are detected in underwater elescopes using the amplitudes and hit patterns of the photo multipliers. The method is applied to the data of the Baikal NT-96 muon and neutrino telescope.