Proefschrift Amsterdam. / Met lit. opg. - Met samenvatting in het Nederlands.

Stuttgart, Univ., Diss., 2005.

University, Diss., 2000--Heidelberg. / Parallelt.: High-purity-Germanium-Detektoren für die Suche nach seltenen Ereignissen.

Universiẗat, Diss., 2001--Heidelberg.

University, Diss., 2003--Bonn.

University, Diss., 2004--Bonn.

Universiẗat, Diss., 2005--Kiel.

This thesis investigates the effects of electronic correlations – both for weak/intermediate as well as strong coupling – on different models. The focus is on systems that are topologically distinct from conventional metals and insulators. For a Dirac system, it is demonstrated that scattering rate and resistivity show a much stronger temperature dependence compared to the usual Fermi liquid. Consequently, scattering is much stronger suppressed close to the Fermi level. In the weak-coupling limit, these results are justified with analytic calculations, while dynamical mean-field theory calculations are used to confirm the stability of the results for coupling strengths up to the Mott transition. Upon doping the system, a crossover between this behavior with high exponents and a Fermi liquid-like behavior is found. For systems in the Mott phase, it is shown that the zeros of the Green’s function are closely related to the non-interacting band structure, thus preserving any symmetry-protected structures such as a Dirac cone in the dispersion. This result is derived ana-lytically in the strong-coupling limit and confirmed with numerical, non-perturbative many-body calculations using cluster extensions of dynamical mean-field theory, exact diagonalization and the slave-rotor method. For topological band structures, the zeros can obtain a topological character, leading to topological Mott insulators, which host zero edge-modes. The latter are spectroscopically invisible, but their presence can be revealed at interfaces with regular topological insulators via an annihilation of edge poles and edge zeros. These effects are shown for the one-dimensional Su–Schrieffer–Heeger model as well as the two-dimensional Bernevig-Hughes-Zhang and Kane-Mele models. It is further shown that gapless zeros are connected to gapless spinons, which leads to a spatial spin-charge separation at interfaces between topological insulators and topological Mott insulators. Along such an interface, only charge can be transported but no spin. Finally, it is shown how the knowledge of the zeros can be used to circumvent a breakdown of the Luttinger theorem. / In dieser Arbeit werden die Effekte elektronischer Korrelationen für unterschiedliche Modelle untersucht, sowohl für schwache/mittlere als auch für starke Wechselwirkungen. Der Fokus liegt hierbei auf Systemen, die sich von normalen Metallen unter- scheiden. Für ein Dirac-System wird gezeigt, dass die Streurate und der elektrische Widerstand deutlich stärker von der Temperatur abhängen als für eine normale Fermi-Flüssigkeit. Folglich ist die Streuung in der Nähe der Fermi-Energie sehr viel stärker unterdrückt. Diese Ergebnisse werden für schwache Wechselwirkung analytisch bewiesen und die Stabilität für größere Wechselwirkung, bis zum Mott- Übergang, mit dynamischer Molekularfeld-Theorie bestätigt. Wenn die Füllung des Systems geändert wird, tritt ein Übergang zwischen dem Dirac-Verhalten mit hohen Exponenten und einem Fermi-Flüssigkeiten-Verhalten auf. Für Systeme in der Mott-Phase wird gezeigt, dass die Nullen der Green’schen Funk- tion eng mit der nicht-wechselwirkenden Dispersion verbunden sind. Folglich sind symmetrie-geschützte Strukturen der Dispersion wie Dirac-Kegel in den Nullen er- halten. Dieses Ergebnis wird analytisch im Limes von starken Wechselwirkungen be- wiesen und mit numerischen, nicht-perturbativen Vielteilchenrechnungen bestätigt. Für diese werden Cluster-Erweiterungen von dynamischer Molekularfeld-Theorie, ex- akte Diagonalisierung und die Slave-Rotor-Methode verwendet. Für topologische Modelle bedeutet dies, dass die Nullen einen topologischen Charak- ter haben können, was zur Definition eines topologischen Mott-Isolators führt. Dieser zeichnet sich durch Randzustände in den Nullen aus. Solche Null-Randzustände sind spektroskopisch unsichtbar, lassen sich aber dadurch feststellen, dass sie einen regulären Randzustand annihilieren. Diese Effekte werden für das eindimensionale Su–Schrieffer–Heeger-Modell sowie die zweidimensionalen Bernevig-Hughes-Zhang und Kane-Mele Modelle gezeigt. Des Weiteren wird gezeigt, dass es eine Verbindung zwischen Null-Zuständen ohne Bandlücke und entsprechenden Spinon-Zuständen gibt. Dies führt zu einer räumlichen Trennung von Ladung und Spin an einem Übergang zwischen einem topologischen Isolator und einem topologischen Mott- Isolator. Entlang eines solchen Übergangs kann Ladung transportiert werden, aber kein Spin. Abschließend wird gezeigt, dass die Kenntnisse über die Nullen es er- lauben, das Zusammenbrechen des Luttinger-Theorem zu verhindern.

With the aim to provide people with sustainable options, engineers are ethically required to hold the safety, health and welfare of the public paramount and to satisfy society's need for sustainable development. The global crisis and related sustainability challenges are calling for a fundamental change in culture, structures and practices. Sustainability Transitions (ST) have been recognized as promising frameworks for radical system innovation towards sustainability. In order to enhance the effectiveness of transformative processes, both the adoption of a transdisciplinary approach and the experimentation of practices are crucial. The evolution of approaches towards ST provides a series of inspiring cases which allow to identify advances in making sustainability transitions happen. In this framework, the thesis has emphasized the role of Transition Engineering (TE). TE adopts a transdisciplinary approach for engineering to face the sustainability challenges and address the risks of un-sustainability. With this purpose, a definition of Transition Technologies is provided as a valid instruments to contribute to ST. In the empirical section, several transition initiatives have been analysed especially at the urban level. As a consequence, the model of living-lab of sustainability has crucially emerged. Living-labs are environments in which innovative technologies and services are co-created with users active participation. In this framework, university can play a key role as learning organization. The core of the thesis has concerned the experimental application of transition approach within the School of Engineering and Architecture of University of Bologna at Terracini Campus. The final vision is to realize a living-lab of sustainability. Particularly, a Transition Team has been established and several transition experiments have been conducted. The final result is not only the improvement of sustainability and resilience of the Terracini Campus, but the demonstration that university can generate solutions and strategies that tackle the complex, dynamic factors fuelling the global crisis.

Dunkle Materie ist ein zentraler Bestandteil der modernen Kosmologie, und damit von entscheidender Bedeutung für unser Verständnis der Strukturbildung im Universum. Das offensichtliche Fehlen von elektromagnetischer Wechselwirkung in Kombination mit unabhängigen Messungen der Energiedichte der baryonischen Materie über die Häufigkeit der primordialen leichten Elemente weisen auf eine nicht-baryonische Natur der Dunklen Materie hin. Die Wirkung der Dunklen Materie bei der Strukturbildung zeigt weiterhin dass ihre Konstituenten kalt sind, also zum Zeitpunkt des Gleichgewichts zwischen Strahlung und Materie eine Temperatur kleine als ihre Ruhemasse aufwiesen. Generische Kandidaten für das Dunkelmaterie-Teilchen sind stabile, schwach wechselwirkende Teilchen mit Ruhemassen von der Größenordnung der Skala der elektroschwachen Symmetriebrechung, wie sie zum Beispiel in der Supersymmetrie bei erhaltener R-Parität vorkommen. Derartige Teilchen frieren auf natürliche Weise im frühen Universum mit kosmologisch relevanten Reliktdichten aus. Die fortschreitende Strukturbildung im Universum führt dann zur Bildung von überdichten Regionen, in denen die Dunkelmaterie-Teilchen wiederum in signifikantem Ausmaß annihilieren können. Dadurch würde ein potentiell detektierbarer Fluß von Hochenergie-Teilchen einschließlich Photonen aus den instabilen Zwischenprodukten der Annihilationsereignisse erzeugt. Die Spektren dieser Teilchen würden Rückschlüsse auf die Masse und den Annihilations-Querschnitt als wichtige Größen zur mikrophysikalischen Identifikation der Dunkelmaterie-Teilchen erlauben. Darin liegt die zentrale Motivation für indirekte Suchen nach der Dunklen Materie. Zum gegenwärtigen Zeitpunkt jedoch haben weder diese indirekten Suchen, noch direkte Methoden zur Suche nach elastischen Streuereignissen zwischen Dunkelmaterie-Teilchen und Atomkernen sowie Beschleunigerexperimente einen eindeutigen Nachweis von Dunkelmaterie-Teilchen erbracht. Das an sich stellt keine Überraschung dar, denn die zu erwartenden Signale sind aufgrund der schwachen Wechselwirkung der Teilchen nur von geringer Intensität. Im Falle der indirekten Suchen steht zu erwarten, dass selbst für die größten Massekonzentrationen im Universum die Stärke des Annihilationssignals der Dunklen Materie den durch astrophysikalische Quellen verursachten Untergrund nicht überschreitet. Die Möglichkeit der sicheren Unterscheidung zwischen einem möglichen Signal aus der Annihilation der Dunklen Materie und eben diesem Untergrund ist daher entscheidend für die Erfolgsaussichten der indirekten Suchen. In der vorliegenden Arbeit wird eine neuartige Suchstrategie ausgearbeitet und vorgestellt, deren zentrale Komponente die Auswahl von Beobachtungszielen aus einem breiten Massebereich, die Kontrolle der astrophysikalischen Untergründe, und die Einbeziehung von Daten aus mehreren Wellenlängenbereichen ist. Die durchgeführten Beobachtungen werden vorgestellt und interpretiert. Ein Ergebnis ist, dass die Unsicherheiten in Bezug auf die Verteilung der Dunklen Materie in Halos und deren individuelle Dichtestruktur, sowie in Bezug auf die mögliche Verstärkung des Annihilationssignales durch Substruktur, im Falle der massearmen Halos (wie zum Beispiel bei den Zwerggalaxien) größer ist als bei massereichen Halos, wie denen der Galaxienhaufen. Andererseits weisen die massereichen Halos größere Unsicherheiten in Hinblick auf die zu erwartenden rein astrophysikalischen Untergründe auf. Die Unsicherheiten in Bezug auf die bisher unbekannte Teilchenphysik jenseits des Standardmodells schließlich sind unabhängig von der Masse der beobachteten Halos. Im Zusammenspiel ermöglichen es diese unterschiedlichen Skalierungsverhalten, die globale Unsicherheit durch eine kombinierte Analyse der Beobachtungen von Halos mit verschiedenen Massen, die einen bedeutenden Teil der Masseskala abdecken, nennenswert zu reduzieren. Diese Strategie wurde im Rahmen des wissenschaftlichen Beobachtungsprogrammes des MAGIC Teleskopsystems implementiert. Es wurden Beobachtungen von Zwerggalaxien sowie des Virgo- und des Perseus-Galaxienhaufens durchgeführt. Die resultierenden Grenzen auf Gammastrahlung aus der Annihilation von schwach wechselwirkenden, massereichen Teilchen gehören zum Zeitpunkt dieser Niederschrift zu den stärksten Grenzen aus indirekten Suchen nach der Dunklen Materie. Die so gewonnenen Grenzen auf die Annihilations-Flüsse schränken einige in der Literatur diskutierte und durch aussergewöhnlich große Annihilations-Flüsse gekennzeichnete Szenarien stark ein. / Cold dark matter constitutes a basic tenet of modern cosmology, essential for our understanding of structure formation in the Universe. Since its first discovery by means of spectroscopic observations of the dynamics of the Coma cluster some 80 years ago, mounting evidence of its gravitational pull and its impact on the geometry of space-time has build up across a wide range of scales, from galaxies to the entire Hubble flow. The apparent lack of electromagnetic coupling and independent measurements of the energy density of baryonic matter from the primordial abundances of light elements show the non-baryonic nature of dark matter, and its clustering properties prove that it is cold, i.e. that it has a temperature lower than its mass during the time of radiation-matter equality. A generic particle candidate for cold dark matter are weakly interacting massive particles at the electroweak symmetry-breaking scale, such as the neutralinos in R-parity conserving supersymmetry. Such particles would naturally freeze-out with a cosmologically relevant relic density at early times in the expanding Universe. Subsequent clustering of matter would recover annihilation interactions between the dark matter particles to some extent and thus lead to potentially observable high-energy emission from the decaying unstable secondaries produced in annihilation events. The spectra of the secondaries would permit a determination of the mass and annihilation cross section, which are crucial for the microphysical identification of the dark matter. This the central motivation for indirect dark matter searches. However, presently neither the indirect searches, nor the complementary direct searches based on the detection of elastic scattering events, nor the production of candidate particles in collider experiments, has yet provided unequivocal evidence for dark matter. This does not come as a surprise, since the dark matter particles interact only through weak interactions and therefore the corresponding secondary emission must be extremely faint. It turns out that even for the strongest mass concentrations in the Universe, the dark matter annihilation signal is expected to not exceed the level of competing astrophysical sources. Thus, the discrimination of the putative dark matter annihilation signal from the signals of the astrophysical inventory has become crucial for indirect search strategies. In this thesis, a novel search strategy will be developed and exemplified in which target selection across a wide range of masses, astrophysical background estimation, and multiwavelength signatures play the key role. It turns out that the uncertainties regarding the halo profile and the boost due to surviving substructure are bigger for halos at the lower end of the observed mass scales, i.e. in the regime of dwarf galaxies and below, while astrophysical backgrounds tend to become more severe for massive dark matter halos such as clusters of galaxies. By contrast, the uncertainties due to unknown details of particle physics are invariant under changes of the halo mass. Therefore, the different scaling behaviors can be employed to significantly cut down on the uncertainties in observations of different targets covering a major part of the involved mass scales. This strategical approach was implemented in the scientific program carried out with the MAGIC telescope system. Observations of dwarf galaxies and the Virgo- and Perseus clusters of galaxies have been carried out and, at the time of writing, result in some of the most stringent constraints on weakly interacting massive particles from indirect searches. Here, the low-threshold design of the MAGIC telescope system plays a crucial role, since the bulk of the high-energy photons, produced with a high multiplicity during the fragmentation of unstable dark matter annihilation products, are emitted at energies well below the dark matter mass scale. The upper limits severely constrain less generic, but more prolific scenarios characterized by extraordinarily high annihilation efficiencies.