Die vorliegende Arbeit befasst sich mit den Gleichgewichtseigenschaften und Phasenübergängen in verdünnten Teilchen- und Polymersystemen, mit einem Fokus auf Teilchenkondensation und Polymeraggregation. Dazu werden sowohl analytische Argumente als auch hochentwickelte Monte Carlo Simulationen verwendet. Um die in dieser Arbeit erreichten Systemgrößen zu simulieren, wurde eine parallele Version der multikanonischen Methode entwickelt. Die Leistungsfähigkeit dieser Erweiterung wird an mehreren relevanten Beispielen demonstriert. Um Teilchenkondensation und Polymeraggregation in finiten Systemen und in geometrisch beschränkten Strukturen besser zu verstehen, wird der Einfluss von verschiedenen Parametern auf die jeweiligen Übergange untersucht. Dies beinhaltet unter anderem die Systemgröße und Dichte, sowie im Speziellen für semiflexible Polymere deren Steifigkeit. Betrachtet werden sowohl kanonische Observablen (Energie, Tropfen- bzw. Aggregatgröße, etc.) mit der dazugehörigen Übergangstemperatur und -breite, als auch eine mikrokanonische Analyse sowie die Barrieren der Freien Energie. Für semiflexible Polymere wird insbesondere der Einfluss von Steifigkeit auf die resultierende Struktur der Aggregate untersucht, die von amorphen Kugeln für flexible Polymere bis hin zu verdrehten Bündeln für steifere Polymere reichen. Ein weiterer Fokus liegt auf der Untersuchung von Übereinstimmungen zwischen den generischen Mechanismen in Kondensation und Aggregation: dem Übergang zwischen einer homogenen Phase und einer inhomogenen (gemischten) Phase. Auf diesem Niveau kann man Polymeraggregation als Kondensation von ausgedehnten Objekten verstehen. Dies zeigt sich vor allem in dem Skalierungsverhalten von kanonischen und mikrokanonischen Observablen, insbesondere an einem unerwarteten aber konsistenten Bereich für mittelgroße (mesoskopische) Systemgrößen.

Die vorliegende Arbeit ist auf die Synthese und Charakterisierung von Bismutoxidoclustern als Vorstufen zur Darstellung Bismut(III)-basierter Halbleiter fokussiert, gefolgt von den Untersuchungen zum photoinduzierten Abbau von Schadstoffen in wässriger Lösung unter Bestrahlung mit sichtbarem Licht in Anwesenheit der dargestellten Halbleiter. Bismut(III)-nitrat wird durch Hydrolyse und Kondensation in Lösung unter kontrollierten Bedingungen zu mehrkernigen Bismutoxidonitratclustern der Form [Bi38O45(NO3)24(DMSO)28+δ] umgesetzt. In der Anwesenheit von Cer(III)-nitrat erfolgt die Synthese eines heterometallischen Bismutoxidonitratclusters der Form [Bi38O45(NO3)24(DMSO)28+δ]:Ce, welcher zur Darstellung von Cer-dotiertem Bismut(III)-oxid geeignet ist. Der gezielte Ligandenaustausch an Bismutoxidonitratclustern liefert unter Erhalt der Clusterkernstruktur die bislang größten Iodid-funktionalisierten Bismutoxidocluster, z.B. [Bi38O46I21(NO3)(DMSO)19.5]. Die Darstellung von Bismut(III)-basierten Halbleitern erfolgt sowohl im Mikrowellenreaktor unter hydro- und solvothermalen Bedingungen als auch über die Hydrolyse ausgewählter Vorstufen bei Raumtemperatur, gefolgt von der thermischen Zersetzung im Festkörper. Aufgrund der Reaktivität der alkalischen Reaktionsmischung der Bismut(III)-haltigen Vorstufe mit SiO2-basierten Glasgeräten unter der Bildung von Bi12SiO20 – einer Verbindung vom Sillenit-Strukturtyp – erfolgen detaillierte Untersuchungen zur Unterscheidung vom isomorphen γ-Bi2O3 (Sillenit). Die Umsetzung von Bismutoxidoclustern mit Schwefel-, Selen- und Rhenium-haltigen Zusätzen führt zur Stabilisierung neuartiger kubischer Mischoxide der Form δ-Bi2O3:M (M = S, Se, Re). Im System Bi2O3–TeO3–Na2O wird u.a. eine neue Verbindung vom doppelten Perowskit-Strukturtyp erhalten. Die neuartigen Bismutoxidoiodidcluster werden durch die kontrollierte thermische Zersetzung in verschiedene Bismut(III)-oxidiodide überführt. Die erhaltenen Bismut(III)-basierten Halbleiter eignen sich für den photoinduzierten Abbau von organischen Schadstoffen – wie Rhodamin B und Triclosan – in wässriger Lösung unter Bestrahlung mit sichtbarem Licht. Die Charakterisierung der dargestellten Verbindungen erfolgt unter anderem mit Pulverröntgendiffraktometrie, Einkristall-Röntgenbeugung, Infrarot- und Raman-Spektroskopie, Kernspinresonanzspektroskopie, CHNS- und CHN-Analyse, Rasterelektronenmikroskopie, Energiedispersiver Röntgenspektroskopie, Elektrosprayionisations-Massenspektrometrie, Röntgenphotoelektronenspektroskopie sowie der Thermogravimetrischen Analyse und der Dynamischen Differenzkalorimetrie.

Das Betriebsverhalten eines elektrischen Turboladers zur Bedruckung des Kathodengassystems eines automobilen Brennstoffzellensystems wird unter Berücksichtigung der feuchten Brennstoffzellenabluft untersucht. Basierend auf den Komponentenkennfeldern von Elektromotor, Leistungselektronik, Lagerung und Turbomaschinenkomponenten werden stationäre und transiente Betriebslinien berechnet, anhand derer eine Betriebspunktverschiebung gezeigt wird. Diese kann auf die Einflüsse der Gaszusammensetzung und Kondensation in der Turbine zurückgeführt werden. Anhand von drei stationären Betriebspunkten wird die Zusammensetzung der Verluste innerhalb der Maschine gezeigt. Die Verzögerung wird zudem als kritisches Manöver im transienten Betrieb durch signifikante Abnahme des Pumpgrenzabstands identifiziert. / The performance of an electric turbocharger for the cathode gas supply system of an automotive fuel cell system is investigated considering moist air off gasses. Based on the component performance maps of electric motor, power electronics, bearings and turbomachinery, steady state and transient operating lines are calculated and a shift of operating points is shown. These can be traced back to the influence of gas composition and condensation within the turbine. Based on three operating points, losses inside the machine are characterized. Furthermore, deceleration is identified as the most critical transient operating scenario due to a significant decrease of the surge margin.

Bundles and networks of semiflexible biopolymers are key elements in cells, lending them mechanical integrity while also enabling dynamic functions. Networks have been the subject of many studies, revealing a variety of fundamental characteristics often determined via bulk measurements. Although bundles are equally important in biological systems, they have garnered much less scientific attention since they have to be probed on the mesoscopic scale. Here, we review theoretical as well as experimental approaches, which mainly employ the naturally occurring biopolymer actin, to highlight the principles behind these structures on the single bundle level.

Exziton-Polaritonen in Mikrokavitäten sind Quasi-Teilchen, die unter bestimmten physikalischen Konditionen kondensieren und damit in einen energetisch gleichen, gemeinsamen makroskopischen Quantenzustand (MQZ) übergehen können. Exziton-Polariton-Kondensate können mithilfe von akustischen Oberflächenwellen moduliert werden, um ihre Eigenschaften zu verändern. Dies ist insbesondere von großer Relevanz für zukünftige Anwendungen. In dieser Arbeit wurden die Struktur sowie die Dynamik der Exziton-Polariton-Kondensate in den durch die akustischen Oberflächenwellen erzeugten quadratischen Gittern untersucht. Es wurde dazu die Wellenfunktion der Exziton-Polariton-Kondensate im Rahmen der spektroskopischen und zeitaufgelösten Messungen im Orts- und Impulsraum abgebildet. Die MQZ wurden in einer optisch-parametrischen Oszillatorkonfiguration resonant angeregt. Die spektroskopischen Messungen zeigten, dass Exziton-Polariton-Kondensate in akustischen quadratischen Gittern aus unterschiedlichen MQZ, nämlich aus einem zwei-dimensionalen Gap-Soliton (2D GS) umgeben von mehreren ein-dimensionalen MQZ, und einem inkohärenten Strahlungshintergrund zusammengesetzt sind. Im Rahmen der zeitaufgelösten Experimente wurde die Dynamik der Wellenfunktion des 2D GS untersucht. Die zeitaufgelösten Ergebnisse zeigten, dass sowohl die Intensität der von dem 2D GS emittierten Photolumineszenz (PL) als auch die Kohärenzlänge des 2D GS zeitlich oszillieren. Die Intensität der PL und die Kohärenzlänge hängen von der Anregungsleistung, der Größe des Laserspots sowie von der relativen Position des akustischen Gitters und dem Laserspot ab. Im Ausblick dieser Arbeit wurde theoretisch die Anregung von Tamm-Plasmon/Exziton- Polaritonen (TPEP) sowie deren Modulation mithilfe von akustischen Oberflächenwellen diskutiert. TPEP entstehen durch die Superposition der in der Grenzschicht zwischen Mikrokavität und Metall angeregten Tamm-Plasmonen und den in der Mikrokavität erzeugten Exziton-Polaritonen. / Microcavity (MC) exciton-polaritons can form condensates, i.e. macroscopic quantum states (MQSs), as well under a periodic potential modulation. The modulation by a surface acoustic wave (SAW) provides a powerful tool for the formation of tunable lattices of MQSs in semiconductor MC. In this work, fundamental aspects of the structure and dynamics of exciton-polariton condensate in acoustic square lattices were investigated by probing its wavefunction in real- and momentum space using spectral- and time-resolved studies. The MQSs were resonantly excited in an optical parametric oscillator configuration. The tomographic study revealed that the exciton-polariton condensate structure self-organises in a concentric structure, which consists of a single, two-dimensional gap soliton (2D GS) surrounded by one-dimensional MQSs and an incoherent background. 2D GS size tends to saturate with increasing particle density. The experimental results are supported by a theoretical model based on the variational solution of the Gross-Pitaevskii equation. Time-resolved studies showed the evolution of the 2D GS wavefunction at the acoustic velocity. Interestingly, the photoluminescence (PL) intensity emitted by the 2D GS as well as its coherence length oscillate with time. The PL oscillation amplitude depends on the intensity and the size of the exciting laser spot, and increases considerably for excitation intensities close to the optical threshold power for the formation of the MQS. In the outlook, the formation of Tamm-Plasmon/Exciton-Polariton (TPEP) hybrid states and their modulation by SAWs was theoretically discussed. Here, the upper DBR is partly replaced by a thin metal layer placed on top of the MC. In this case, TPEP form by the superposition of Tamm plasmons at the metal-semiconductor interface and the exciton-polaritons in the MC.

The Casimir-Polder interaction between a single neutral atom and a nearby surface, arising from the (quantum and thermal) fluctuations of the electromagnetic field, is a cornerstone of cavity quantum electrodynamics (cQED), and theoretically well established. Recently, Bose-Einstein condensates (BECs) of ultracold atoms have been used to test the predictions of cQED. The purpose of the present thesis is to upgrade single-atom cQED with the many-body theory needed to describe trapped atomic BECs. Tools and methods are developed in a second-quantized picture that treats atom and photon fields on the same footing. We formulate a diagrammatic expansion using correlation functions for both the electromagnetic field and the atomic system. The formalism is applied to investigate, for BECs trapped near surfaces, dispersion interactions of the van der Waals-Casimir-Polder type, and the Bosonic stimulation in spontaneous decay of excited atomic states. We also discuss a phononic Casimir effect, which arises from the quantum fluctuations in an interacting BEC. / Die durch (quantenmechanische und thermische) Fluktuationen des elektromagnetischen Feldes hervorgerufene Casimir-Polder-Wechselwirkung zwischen einem elektrisch neutralen Atom und einer benachbarten Oberfläche stellt einen theoretisch gut untersuchten Aspekt der Resonator-Quantenelektrodynamik (cavity quantum electrodynamics, cQED) dar. Seit kurzem werden atomare Bose-Einstein-Kondensate (BECs) verwendet, um die theoretischen Vorhersagen der cQED zu überprüfen. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die bestehende cQED Theorie für einzelne Atome mit den Techniken der Vielteilchenphysik zur Beschreibung von BECs zu verbinden. Es werden Werkzeuge und Methoden entwickelt, um sowohl Photon- als auch Atom-Felder gleichwertig in zweiter Quantisierung zu beschreiben. Wir formulieren eine diagrammatische Störungstheorie, die Korrelationsfunktionen des elektromagnetischen Feldes und des Atomsystems benutzt. Der Formalismus wird anschließend verwendet, um für in Fallen nahe einer Oberfläche gehaltene BECs Atom-Oberflächen-Wechselwirkungen vom Casimir-Polder-Typ und die bosonische Stimulation des spontanen Zerfalls angeregter Atome zu untersuchen. Außerdem untersuchen wir einen phononischen Casimir-Effekt, der durch die quantenmechanischen Fluktuationen in einem wechselwirkenden BEC entsteht.

Bose-Einstein condensation is a collective quantum phenomenon where a macroscopic number of bosons occupies the lowest quantum state. For fixed temperature, bosons condense above a critical particle density. This phenomenon is a consequence of the Bose-Einstein distribution which dictates that excited states can host only a finite number of particles so that all remaining particles must form a condensate in the ground state. This reasoning applies to thermal equilibrium. We investigate the fate of Bose condensation in nonisolated systems of noninteracting Bose gases driven far away from equilibrium. An example of such a driven-dissipative scenario is a Floquet system coupled to a heat bath. In these time-periodically driven systems, the particles are distributed among the Floquet states, which are the solutions of the Schrödinger equation that are time periodic up to a phase factor. The absence of the definition of a ground state in Floquet systems raises the question, whether Bose condensation survives far from equilibrium. We show that Bose condensation generalizes to an unambiguous selection of multiple states each acquiring a large occupation proportional to the total particle number. In contrast, the occupation numbers of nonselected states are bounded from above. We observe this phenomenon not only in various Floquet systems, i.a. time-periodically-driven quartic oscillators and tight-binding chains, but also in systems coupled to two baths where the population of one bath is inverted. In many cases, the occupation numbers of the selected states are macroscopic such that a fragmented condensation is formed according to the Penrose-Onsager criterion. We propose to control the heat conductivity through a chain by switching between a single and several selected states. Furthermore, the number of selected states is always odd except for fine-tuning. We provide a criterion, whether a single state (e.g., Bose condensation) or several states are selected. In open systems, which exchange also particles with their environment, the nonequilibrium steady state is determined by the interplay between the particle-number-conserving intermode kinetics and particle-number-changing pumping and loss processes. For a large class of model systems, we find the following generic sequence when increasing the pumping: For small pumping, no state is selected. The first threshold, where the stimulated emission from the gain medium exceeds the loss in a state, is equivalent to the classical lasing threshold. Due to the competition between gain, loss and intermode kinetics, further transitions may occur. At each transition, a single state becomes either selected or deselected. Counterintuitively, at sufficiently strong pumping, the set of selected states is independent of the details of the gain and loss. Instead, it is solely determined by the intermode kinetics like in closed systems. This implies equilibrium condensation when the intermode kinetics is caused by a thermal environment. These findings agree well with observations of exciton-polariton gases in microcavities. In a collaboration with experimentalists, we observe and explain the pump-power-driven mode switching in a bimodal quantum-dot micropillar cavity. / Die Bose-Einstein-Kondensation ist ein Quantenphänomen, bei dem eine makroskopische Zahl von Bosonen den tiefsten Quantenzustand besetzt. Die Teilchen kondensieren, wenn bei konstanter Temperatur die Teilchendichte einen kritischen Wert übersteigt. Da die Besetzungen von angeregten Zuständen nach der Bose-Einstein-Statistik begrenzt sind, bilden alle verbleibenden Teilchen ein Kondensat im Grundzustand. Diese Argumentation ist im thermischen Gleichgewicht gültig. In dieser Arbeit untersuchen wir, ob die Bose-Einstein-Kondensation in nicht wechselwirkenden Gasen fern des Gleichgewichtes überlebt. Diese Frage stellt sich beispielsweise in Floquet-Systemen, welche Energie mit einer thermischen Umgebung austauschen. In diesen zeitperiodisch getriebenen Systemen verteilen sich die Teilchen auf Floquet-Zustände, die bis auf einen Phasenfaktor zeitperiodischen Lösungen der Schrödinger-Gleichung. Die fehlende Definition eines Grundzustandes wirft die Frage nach der Existenz eines Bose-Kondensates auf. Wir finden eine Generalisierung der Bose-Kondensation in Form einer Selektion mehrerer Zustände. Die Besetzung in jedem selektierten Zustand ist proportional zur Gesamtteilchenzahl, während die Besetzung aller übrigen Zustände begrenzt bleibt. Wir beobachten diesen Effekt nicht nur in Floquet-Systemen, z.B. getriebenen quartischen Fallen, sondern auch in Systemen die an zwei Wärmebäder gekoppelt sind, wobei die Besetzung des einen invertiert ist. In vielen Fällen ist die Teilchenzahl in den selektierten Zuständen makroskopisch, sodass nach dem Penrose-Onsager Kriterium ein fragmentiertes Kondensat vorliegt. Die Wärmeleitfähigkeit des Systems kann durch den Wechsel zwischen einem und mehreren selektierten Zuständen kontrolliert werden. Die Anzahl der selektierten Zustände ist stets ungerade, außer im Falle von Feintuning. Wir beschreiben ein Kriterium, welches bestimmt, ob es nur einen selektierten Zustand (z.B. Bose-Kondensation) oder viele selektierte Zustände gibt. In offenen Systemen, die auch Teilchen mit der Umgebung austauschen, ist der stationäre Nichtgleichgewichtszustand durch ein Wechselspiel zwischen der (Teilchenzahl-erhaltenden) Intermodenkinetik und den (Teilchenzahl-ändernden) Pump- und Verlustprozessen bestimmt. Für eine Vielzahl an Modellsystemen zeigen wir folgendes typisches Verhalten mit steigender Pumpleistung: Zunächst ist kein Zustand selektiert. Die erste Schwelle tritt auf, wenn der Gewinn den Verlust in einer Mode ausgleicht und entspricht der klassischen Laserschwelle. Bei stärkerem Pumpen treten weitere Übergänge auf, an denen je ein einzelner Zustand entweder selektiert oder deselektiert wird. Schließlich ist die Selektion überraschenderweise unabhängig von der Charakteristik des Pumpens und der Verlustprozesse. Die Selektion ist vielmehr ausschließlich durch die Intermodenkinetik bestimmt und entspricht damit den oben beschriebenen geschlossenen Systemen. Ist die Kinetik durch ein thermisches Bad hervorgerufen, tritt wie im Gleichgewicht eine Grundzustands-Kondensation auf. Unsere Theorie ist in Übereinstimmung mit experimentellen Beobachtungen von Exziton-Polariton-Gasen in Mikrokavitäten. In einer Kooperation mit experimentellen Gruppen konnten wir den Modenwechsel in einem bimodalen Quantenpunkt-Mikrolaser erklären.

Bundles and networks of semiflexible biopolymers are key elements in cells, lending them mechanical integrity while also enabling dynamic functions. Networks have been the subject of many studies, revealing a variety of fundamental characteristics often determined via bulk measurements. Although bundles are equally important in biological systems, they have garnered much less scientific attention since they have to be probed on the mesoscopic scale. Here, we review theoretical as well as experimental approaches, which mainly employ the naturally occurring biopolymer actin, to highlight the principles behind these structures on the single bundle level.

Bose-Einstein condensation is a collective quantum phenomenon where a macroscopic number of bosons occupies the lowest quantum state. For fixed temperature, bosons condense above a critical particle density. This phenomenon is a consequence of the Bose-Einstein distribution which dictates that excited states can host only a finite number of particles so that all remaining particles must form a condensate in the ground state. This reasoning applies to thermal equilibrium. We investigate the fate of Bose condensation in nonisolated systems of noninteracting Bose gases driven far away from equilibrium. An example of such a driven-dissipative scenario is a Floquet system coupled to a heat bath. In these time-periodically driven systems, the particles are distributed among the Floquet states, which are the solutions of the Schrödinger equation that are time periodic up to a phase factor. The absence of the definition of a ground state in Floquet systems raises the question, whether Bose condensation survives far from equilibrium. We show that Bose condensation generalizes to an unambiguous selection of multiple states each acquiring a large occupation proportional to the total particle number. In contrast, the occupation numbers of nonselected states are bounded from above. We observe this phenomenon not only in various Floquet systems, i.a. time-periodically-driven quartic oscillators and tight-binding chains, but also in systems coupled to two baths where the population of one bath is inverted. In many cases, the occupation numbers of the selected states are macroscopic such that a fragmented condensation is formed according to the Penrose-Onsager criterion. We propose to control the heat conductivity through a chain by switching between a single and several selected states. Furthermore, the number of selected states is always odd except for fine-tuning. We provide a criterion, whether a single state (e.g., Bose condensation) or several states are selected. In open systems, which exchange also particles with their environment, the nonequilibrium steady state is determined by the interplay between the particle-number-conserving intermode kinetics and particle-number-changing pumping and loss processes. For a large class of model systems, we find the following generic sequence when increasing the pumping: For small pumping, no state is selected. The first threshold, where the stimulated emission from the gain medium exceeds the loss in a state, is equivalent to the classical lasing threshold. Due to the competition between gain, loss and intermode kinetics, further transitions may occur. At each transition, a single state becomes either selected or deselected. Counterintuitively, at sufficiently strong pumping, the set of selected states is independent of the details of the gain and loss. Instead, it is solely determined by the intermode kinetics like in closed systems. This implies equilibrium condensation when the intermode kinetics is caused by a thermal environment. These findings agree well with observations of exciton-polariton gases in microcavities. In a collaboration with experimentalists, we observe and explain the pump-power-driven mode switching in a bimodal quantum-dot micropillar cavity. / Die Bose-Einstein-Kondensation ist ein Quantenphänomen, bei dem eine makroskopische Zahl von Bosonen den tiefsten Quantenzustand besetzt. Die Teilchen kondensieren, wenn bei konstanter Temperatur die Teilchendichte einen kritischen Wert übersteigt. Da die Besetzungen von angeregten Zuständen nach der Bose-Einstein-Statistik begrenzt sind, bilden alle verbleibenden Teilchen ein Kondensat im Grundzustand. Diese Argumentation ist im thermischen Gleichgewicht gültig. In dieser Arbeit untersuchen wir, ob die Bose-Einstein-Kondensation in nicht wechselwirkenden Gasen fern des Gleichgewichtes überlebt. Diese Frage stellt sich beispielsweise in Floquet-Systemen, welche Energie mit einer thermischen Umgebung austauschen. In diesen zeitperiodisch getriebenen Systemen verteilen sich die Teilchen auf Floquet-Zustände, die bis auf einen Phasenfaktor zeitperiodischen Lösungen der Schrödinger-Gleichung. Die fehlende Definition eines Grundzustandes wirft die Frage nach der Existenz eines Bose-Kondensates auf. Wir finden eine Generalisierung der Bose-Kondensation in Form einer Selektion mehrerer Zustände. Die Besetzung in jedem selektierten Zustand ist proportional zur Gesamtteilchenzahl, während die Besetzung aller übrigen Zustände begrenzt bleibt. Wir beobachten diesen Effekt nicht nur in Floquet-Systemen, z.B. getriebenen quartischen Fallen, sondern auch in Systemen die an zwei Wärmebäder gekoppelt sind, wobei die Besetzung des einen invertiert ist. In vielen Fällen ist die Teilchenzahl in den selektierten Zuständen makroskopisch, sodass nach dem Penrose-Onsager Kriterium ein fragmentiertes Kondensat vorliegt. Die Wärmeleitfähigkeit des Systems kann durch den Wechsel zwischen einem und mehreren selektierten Zuständen kontrolliert werden. Die Anzahl der selektierten Zustände ist stets ungerade, außer im Falle von Feintuning. Wir beschreiben ein Kriterium, welches bestimmt, ob es nur einen selektierten Zustand (z.B. Bose-Kondensation) oder viele selektierte Zustände gibt. In offenen Systemen, die auch Teilchen mit der Umgebung austauschen, ist der stationäre Nichtgleichgewichtszustand durch ein Wechselspiel zwischen der (Teilchenzahl-erhaltenden) Intermodenkinetik und den (Teilchenzahl-ändernden) Pump- und Verlustprozessen bestimmt. Für eine Vielzahl an Modellsystemen zeigen wir folgendes typisches Verhalten mit steigender Pumpleistung: Zunächst ist kein Zustand selektiert. Die erste Schwelle tritt auf, wenn der Gewinn den Verlust in einer Mode ausgleicht und entspricht der klassischen Laserschwelle. Bei stärkerem Pumpen treten weitere Übergänge auf, an denen je ein einzelner Zustand entweder selektiert oder deselektiert wird. Schließlich ist die Selektion überraschenderweise unabhängig von der Charakteristik des Pumpens und der Verlustprozesse. Die Selektion ist vielmehr ausschließlich durch die Intermodenkinetik bestimmt und entspricht damit den oben beschriebenen geschlossenen Systemen. Ist die Kinetik durch ein thermisches Bad hervorgerufen, tritt wie im Gleichgewicht eine Grundzustands-Kondensation auf. Unsere Theorie ist in Übereinstimmung mit experimentellen Beobachtungen von Exziton-Polariton-Gasen in Mikrokavitäten. In einer Kooperation mit experimentellen Gruppen konnten wir den Modenwechsel in einem bimodalen Quantenpunkt-Mikrolaser erklären.

Quantum systems that are in weak contact with a thermal heat bath will ultimately relax to an equilibrium state which is characterized by the temperature of the environment only. This state is independent of the specific properties of the bath and of how it is coupled to the system. This changes completely, when the system is additionally driven. Such a driven-dissipative situation can emerge, for example, due to an additional time-periodic modulation of the system, or when it is brought into contact with a second bath of different temperature. Then, the system will run into a well-defined nonequilibrium steady state. This state, however, will depend on the very details of the environment and its coupling to the system. We study whether this freedom can be used to engineer interesting properties of quantum systems, which are not found in their equilibrium states, i.e. in the absence of a drive. We focus on bosonic quantum many-body systems. We investigate when far-from-equilibrium ideal gases feature Bose condensation in a group of single-particle states, as opposed to situations where Bose condensation is completely absent in the nonequilibrium steady state. We show that Bose condensation can be induced in a finite one-dimensional ideal gas by the competition of two heat baths whose temperatures both lie well above the equilibrium condensation temperature. This setup also allows to engineer condensation in excited single-particle states. We discuss first ideas to study similar setups in weakly interacting Bose gases. Describing the microscopic dynamics of interacting many-body systems coupled to thermal baths is extremely challenging, due to the fact that generally the full many-body spectrum is inaccessible. Using ideas from semiclassics, we develop an approximation to the dynamics that yields good results at high and intermediate bath temperatures. We also investigate the transient dynamics of driven-dissipative quantum systems. Our studies are motivated by a result that is well known for isolated quantum systems: for a system whose dynamics is generated by a time-periodic Hamiltonian, the stroboscopic dynamics (observed at integer multiples of the driving period) can always be understood as if it would stem from a time-independent Hamiltonian, the Floquet Hamiltonian. For open quantum systems in contact with an environment, we ask if a similar mapping to an effective generator, the Floquet Lindbladian, is always possible. For a simple qubit model we show that there are two extended parameter regions, one in which the Floquet Lindbladian exists, and one in which it does not. We discuss problems of analytical expansions that can give rise to this Floquet Lindbladian and discuss how we can interpret the region where it does not exist. These results are important for dissipative Floquet engineering and open up new perspectives for the control of open quantum systems via time-periodic driving.:1. Introduction 2. Master equation for open quantum systems 3. Existence of the Floquet Lindbladian 4. Number of Bose-selected modes in driven-dissipative ideal Bose gases 5. High-temperature nonequilibrium Bose condensation induced by a hot needle 6. Weakly interacting Bose gases far from thermal equilibrium 7. Summary and outlook / Quantensysteme, die in schwacher Wechselwirkung mit einem thermischen Wärmebad stehen, relaxieren stets in einen Gleichgewichtszustand, welcher allein durch die Temperatur der Umgebung beschrieben ist. Dieser Zustand ist unabhängig von den spezifischen Eigenschaften des Bades, und davon wie dieses an das System gekoppelt ist. Dies ändert sich, wenn das System zusätzlich angetrieben wird. Ein solches getrieben-dissipatives Szenario kann beispielsweise durch einen zusätzlichen zeitperiodischen Antrieb entstehen, oder wenn das System mit einem zweiten Bad unterschiedlicher Temperatur in Kontakt gebracht wird. In diesem Fall läuft das System in einen wohldefinierten stationären Nichtgleichgewichtszustand. Dieser Zustand hängt jedoch von den Details der Umgebung, und davon wie diese an das System gekoppelt ist, ab. Es wird untersucht ob diese Freiheit genutzt werden kann um interessante Eigenschaften von Quantensystemen zu konstruieren, die in deren Gleichgewichtszuständen, d.h. in Abwesenheit des Antriebs, nicht zu finden sind. Der Fokus der Arbeit liegt auf bosonischen Quantenvielteilchensystemen. Es wird ergründet unter welchen Bedingungen ideale Gase fernab des thermischen Gleichgewichts Bose Kondensation in einer Gruppe von Einteilchenzuständen aufweisen, im Gegensatz zu Szenarien in denen überhaupt keine Bose Kondensation im stationären Nichtgleichgewichtszustand auftritt. Weiterhin wird gezeigt, dass Bose Kondensation in einem eindimensionalen idealen Gas durch das Wechselspiel zweier Wärmebäder induziert werden kann. Die Temperatur beider Bäder liegt dabei weit über der Kondensationstemperatur des Gleichgewichts. Diese Anordnung erlaubt außerdem kontrollierte Kondensation in angeregten Einteilchenzuständen. Erste Ideen für das theoretische Studium ähnlicher Anordnungen für schwach wechselwirkende Bosegase werden diskutiert. Eine Beschreibung der mikroskopischen Dynamik wechselwirkender Vielteilchensysteme ist extrem anspruchsvoll, da typischerweise das volle Vielteilchenspektrum unzugänglich ist. Unter Zurhilfenahme semiklassischer Ideen wird eine Näherung der Dynamik entwickelt, welche eine gute Beschreibung für hohe und intermediäre Temperaturen liefert. Weiterhin wird die transiente Dynamik getrieben-dissipativer Quantensysteme untersucht. Die Motivation bietet ein bekanntes Resultat für abgeschlossene Quantensysteme: Für ein System, dessen Dynamik durch einen zeitperiodischen Hamiltonoperator bestimmt ist, kann die stroboskopische Dynamik (unter Beobachtung zu Zeiten, die Vielfache der Antriebsperiode sind) immer so verstanden werden als würde sie von einem zeitunabhängigen Hamiltonoperator, dem Floquet Hamiltonian, induziert. Für offene Quantensysteme im Kontakt mit einer Umgebung wird untersucht ob eine ähnliche Abbildung auf einen effektiven Generator, den Floquet Lindbladian, existiert. Für ein einfaches Qubit Modell wird gezeigt, dass es zwei ausgedehnte Parameterregionen gibt, eine in welcher der Floquet Lindbladian existiert und eine weitere in der dieser nicht existiert. Es werden Probleme von analytischen Entwicklungen des Floquet Lindbladian diskutiert. Auch wird eine Interpretation der Region gegeben, in der dieser nicht existiert. Diese Resultate sind maßgeblich für dissipatives Floquetengineering und eröffnen neue Blickwinkel auf die zeitperiodische Kontrolle offener Quantensysteme.:1. Introduction 2. Master equation for open quantum systems 3. Existence of the Floquet Lindbladian 4. Number of Bose-selected modes in driven-dissipative ideal Bose gases 5. High-temperature nonequilibrium Bose condensation induced by a hot needle 6. Weakly interacting Bose gases far from thermal equilibrium 7. Summary and outlook