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Few-cycle laser pulses are an important tool for investigating laser-matter interactions. Apart from the mere resolution used in time-resolved processes, owing to this approach table-top sources nowadays can reach the limits of the perturbative regime and therewith enable extreme nonlinear optics. In the visible domain, femtosecond technology over the last decades has quickly developed, in recent years leading to the routine generation of carrier-envelope phase (CEP) stable few-cycle laser pulses at high energies, using ubiquitous Ti:Sapphire amplifiers. Near to mid-infrared few-cycle pulses in contrast can be employed for investigating interactions in the tunneling regime. The ponderomotive potential of the infrared light field allows quivered charged particles to acquire large energies, leading to applications like the generation of isolated attosecond pulses in the water window. In this wavelength regime however, the required sources are yet to be demonstrated or at least matured. The best candidate for few-cycle pulses in this domain is optical parametric amplification. This work describes the development of an optical parametric chirped pulse amplifier (OPCPA), used to create CEP-stable few-cycle pulses in the near infrared (NIR). It covers all essential parts of the system. First the signal pulses are generated from ultrashort lasers using spectral broadening techniques in chapter 2. After compression of these white light continua, intra-pulse broadband difference frequency generation yields CEP stable infrared pulses spanning over more than one octave. A thin-disk-based pump laser provides ample pump energy (20 mJ) at pulse durations around 1.5 ps. Its characterization and optimization for OPCPA is performed in chapter 3. The high peak energy of this pump laser leads to the buildup of optical nonlinearities and consequently shows distinct influence on the OPCPA system performance. The synchronization of the OPCPA pump and seed laser system is the topic of chapter 4. This chapter is not limited to NIR systems, but demonstrates enhanced (actively stabilized) synchronization of the jitter between pump and seed pulses to σ = 24 fs, which later results in improved output stability. The NIR OPCPA centered at 2.1 μm is described in chapter 5. This combines the efforts of the previous chapters and describes the generation and characterization of 100 μJ sub-two-cycle CEP-stable pulses, the shortest published to date at this energy level. As a first prototype (cutting edge) experiment, CEP dependent sub-fs currents in a dielectric are generated in chapter 6 using the developed light source. The results compared well to visible few-cycle laser sources and demonstrate the usability of the OPCPA system (beyond the charac- terizations of chapter 5) for investigating sub-cycle carrier dynamics in dielectrics. For the same purpose, to generate the currently most broadband NIR continua at kHz repetition rates and mJ-level pulse energies, the OPCPA system is further boosted and efficiently broadened to three optical octaves using a hollow core fiber setup (described in chapter 7). The spectral phase is characterized and demonstrates self-compression in the NIR around 1.3 μm. The process provides CEP-stable sub-2-cycle pulses in this regime directly, the shortest and most powerful reported to date. Furthermore, the spectral broadening in the infrared shows enhanced low-order harmonic gen- eration and cross-phase-modulation as the dominant mechanism. Experimentally the limited influence on the driver bandwidth is investigated. It is found that the processes allow using more efficient many-cycle infrared sources to generate several-octave spanning, compressible continua in the future. Even partial compression of these would then provide NIR transients for high-field experiments. / Die Femtosekunden-Technologie hat sich in den letzten Jahrzehnten schnell fortentwickelt, vor allem im sichtbaren Wellenl ̈angen-Bereich. Speziell moderne Titanium-Saphir Verst ̈arker haben zuletzt zu (Träger-Einhüllenden-) phasenstabilen und hochenergetischen Laserpulsen geführt, die nur noch aus einzelnen optischen Zyklen bestehen. Diese erlauben die Investigation extrem nichtlinearer optischer Prozesse im Regime der Multiphotonenionisation. Um weiter im Infraroten Prozesse im Regime der Tunnelionisation zu untersuchen, fehlt es jedoch nach wie vor an Lichtquellen mit ähnlichen Characteristiken für Anwendungen wie die Generation von isolierten Attosekunden-Pulsen im Wasser-Transmissions-Fenster. Hier bietet die optische parametrische Verstärkung bisher die größten Perspektiven. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines optischen parametrischen Verstärkers mit gestreckten Pulsen (engl.: optical parametric chirped pulse amplifier, OPCPA), der TE- phasen-stabile Pulse mit wenigen optischen Zyklen im nahen Infraroten erzeugt. Alle wesentlichen Teile des Systems werden beschrieben. Zuerst wird der Saat-Puls durch die spektrale Verbreiterung eines Titanium-Saphir Verstärkers gewonnen. Nach der Kompression des generierten Weißlichts führt die breitbandige Differenz-Frequenz-Generation (DFG) des Pulses mit sich selbst zu TE-phasen-stabilen Infrarot-Pulsen, deren Spektrum mehr als eine optische Oktave aufspannt. Ein Scheiben-Laser liefert die Pumpenergie (20 mJ) bei einer Pulsdauer von ca. 1.5 ps. Seine Charakterisierung und Optimierung für die OPCPA erfolgt in Kapitel 3. Die hohen Spitzeninten- sit ̈aten dieses Pumplasers führen zum Akkumulieren optischer Nichtlinearit ̈aten und beeinflussen die OPCPA im Folgenden negativ. Die Synchronisation von OPCPA Pump- und Saat-Lasern ist das Thema von Kapitel 4. Es demonstriert eine aktive Stabilisierung des zeitlichen Überlapps beider Pulse, der den gesamten Prozess im Folgenden stabilisiert, und ist nicht auf den Einsatz im Infraroten beschränkt, sondern für die meisten OPCPA Systeme anwendbar. Die in Kapitel 5 beschriebene infrarote OPCPA hat ihre Zentralwellenlänge bei 2.1 μm und baut auf den vorherigen Kapiteln auf. Die Erzeugung und Charakterisierung von Pulsen mit weniger als zwei optischen Zyklen, den bisher kürzesten in diesem Wellenlängen-Bereich und einer En- ergie von 100 μJ, werden beschrieben. Ferner erweist sich die TE-Phase der verstärkten Pulse als außerordentlich kurz- und langzeitstabil. Kapitel 6 demonstriert dann die Möglichkeiten des neuen Systems mit einem technisch anspruchsvollen Experiment. TE-phasen-abhängige Ströme mit einer Lebenszeit auf der Skala von Attosekunden werden in einem Dielektrikum erzeugt und gemessen. Die Resultate stimmen gut mit den bere- its gemessenen Werten im sichtbaren Bereich u ̈ berein und demonstrieren die Möglichkeiten und Einsetzbarkeit des Systems. Für ähnliche Anwendungen, allerdings bei noch höheren Intensitäten, wird in Kapitel 7 das OPCPA-System weiter verstärkt. Die spektrale Verbreiterung in einer gas-gefüllten Hohlfaser erzeugt ein Kontinuum über drei optische Oktaven. Dessen spektrale Phase wird im Folgen- den charakterisiert und zeigt Selbstkompression bei einer Wellenlänge von 1.3 μm. Der Prozess erzeugt TE-phasen-stabile Pulse kürzer also zwei optische Zyklen, welche die kürzesten und intensivsten darstellen, die in diesem Bereich bislang erzeugt wurden. Weiterhin zeigt die spektrale Verbreiterung im Infraroten besondere Merkmale. Speziell die Gen- eration von ungeraden Harmonischen niedriger Ordnung und deren Kreuz-Phasen-Modulation zeigen sich als dominante Prozesse, welche den Einfluss der Eingangsbandbreite minimieren. Eine experimentelle Untersuchung demonstriert dann, dass auch potentiell effizientere infrarote OPCPA Systeme mit deutlich längeren Pulsen ähnliche spektrale Bandbreiten erzeugen können. Die Komprimierung dieser sollte in der nahen Zukunft zu Hochfeld-Anwendungen mit infraroten Feldtransienten und synthetisierten elektrischen Feldern mit Sub-Zyklus Merkmalen führen.

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Whether it is to form an optical cavity, to control dispersion, or merely to transport the laser beam, multilayer mirrors are fundamental components of every ultrafast laser system. The performance of current state of the art ultrafast high-power lasers in terms of pulse energy is often restrained by optical breakdown of multilayer coatings. One way to overcome this problem is to increase the size of the laser beam, but this is usually undesirable, as it rises the costs and the footprint of the laser system. Therefore, increasing the optical resistance of multilayer mirrors is essential to the development of cost- and space-efficient lasers. In turn, this requires a thorough understanding of the mechanisms behind optical damage. In this work, we have studied the ultrafast optical breakdown of dispersive mirrors, as well as that of other multilayer thin-films, in three different regimes: (i) at 500 Hz repetition rate with 30 fs pulses, at a central wavelength of 800nm; (ii) at 11:5MHz repetition rate with 1 ps pulses, at 1030 nm; (iii) at 5 kHz repetition rate with 1:4 ps pulses at 1030 nm. The results from (ii) and (iii) have been compared side by side. In addition, a novel technique for dispersion measurements has been developed. In the femstosecond regime, the samples have been: single layer coatings made of Au; Ag; Nb2O5; SiO2;Ta2O5 and mixtures of Ta2O5 with silica in different concentrations; and different dispersive coatings, consisting of SiO2 as the low-index material and different high-index materials (Nb2O5; Ta2O5; HfO2). We have also given a suggestion as to what is the best approach to increase the damage threshold of thin-film dielectric coatings. The ultrafast optical breakdown of multilayer thin-films has been investigated at MHz repetition rate and high average power. The optical breakdown threshold of three different types of coatings has been measured. All samples have been coated with either TiO2, Ta2O5, HfO2, or Al2O3 as high-index material and with SiO2 as low-index material. The same samples have been measured also at kHz repetition rate. The results obtained in both regimes have been compared. The band gap dependencies of damage threshold in both cases were linear. However, the one retrieved at kHz rate was steeper than its MHz counterpart. This is an interesting finding, which must be investigated further. The developed method for dispersion measurements has been based on the location of resonance peaks in a Fabry-Perot-type of interferometer. By simultaneously processing data obtained at different spacer thicknesses, we were able to obtain superior resolution compared to the conventional method.

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Combining all knowledge we have gathered about the origin, evolution and current state of the universe it appears indisputable that 95% of the mass-energy density in today's universe is comprised of unknown substances called dark matter and dark energy. This thesis explores different aspects of and develops models for the formation of the largest structures we observe in the universe, because these structures -- the cosmic web made of dark matter halos, clusters of galaxies and galaxies -- sensitively depend on properties of dark matter and dark energy, in particular on their abundances, the equation of state of and possible new interactions mediated by dark energy. Current and upcoming surveys map the large scale structure (LSS) with increasingly higher precision and in larger volumes. In order to optimally extract cosmological parameters we need to build accurate models for LSS formation that also describe how LSS is perceived by real observers trough processes affecting light propagation. Only then can we reliably reconstruct the cosmological parameters and identify the models for dark matter and dark energy preferred by the data. Therefore this thesis contributes to the endeavor to ultimately uncover the nature of dark matter and dark energy. Chapter 2 studies a dark energy model which mediates a ``fifth force'' enhancing Newtonian gravity only on large scales due to the chameleon mechanism, but leads to an expansion history indistinguishable from the case where dark energy is a cosmological constant. Hence the only observables that can discriminate them are related to structure formation. We study the abundance of dark matter halos per halo mass with semi-analytical techniques to find a fit function depending on the model parameter responsible for the range and strength of the fifth force. We find good agreement with Monte-Carlo and N-body simulations of the mass function. Our result is a fit function for the halo mass function that can be used to constrain this model and to look for signatures of the chameleon effect in observations of galaxy of clusters. In Chapters 3 and 4 we show why it is justified to use Newtonian gravity instead of General Relativity on all scales to accurately describe LSS formation in a universe governed by a cosmological constant and cold dark matter. In Chapter 5 we show that a complex scalar field solving the Schrödinger-Poisson equation is able describe collisionless selfgravitating dark matter with the same number of degrees of freedom as the popular dust fluid. In contrast to the dust model it does not suffer from singularities and thus allows the analytical and numerical study of fully nonlinear effects like halo formation. In Chapter 6 we study the clustering of halos as observed in redshift space, by developing an improved model for the halo dynamics based on a coarse grained dust model and by extending the so called Gaussian streaming model to general phase space distribution functions. We compare our results to a N-body simulation halo catalog and find that the coarse grained dust model significantly improves the accuracy of theoretical redshift space correlation functions. / Wenn wir all das Wissen kombinieren, welches wir bisher über Ursprung, Entwicklung und heutigen Zustand des Universum gesammelt haben, kommen wir unweigerlich zu dem Schluss, dass 95% der Materiedichte des Universums aus unbekannten Substanzen besteht, die man dunkle Materie und dunkle Energie nennt. Diese Dissertation beschäftigt sich mit verschiedenen Aspekten der Entstehung der größten Strukturen im Universum und entwickelt neue Methoden diese Strukturen, bestehend aus dem kosmischen Netz, Galaxienhaufen und Galaxien zu modellieren. Diese Strukturen hängen sehr sensibel von den Eigenschaften der dunklen Materie und dunklen Energie ab, insbesondere von ihren relativen und absoluten Mengen, sowie der Zustandsgleichung der dunklen Energie und einer eventuell von ihr vermittelten neuen Wechselwirkung. Aktuell durchgeführte und zukünftige Vermessungen der größten Strukturen kartographieren diese mit zunehmender Präzision und in immer größeren Volumen. Um die kosmologischen Parameter bestmöglich aus den Daten zu extrahieren, benötigen wir akkurate Modelle der Strukturbildung und der Prozesse, die das Licht auf seinem Weg zum Beobachter beeinflussen. Nur so können wir zuverlässig die kosmologischen Parameter rekonstruieren und die Modelle für dunkle Materie und dunkle Energie identifizieren die von den Daten bevorzugt werden. Somit trägt die Dissertation zu den Bemühungen bei, die Natur der dunklen Materie und dunklen Energie zu enthüllen. Kapitel 2 untersucht ein Modell für dunkle Energie, welche eine ``fünfte Kraft'' vermittelt, die jedoch die Newtonsche Gravitationskraft auf Grund des Chamäleon-Mechanismus lediglich auf großen Skalen verstärkt und eine Expansionsgeschichte verursacht, die nicht vom einfachsten Fall zu unterscheiden ist, bei dem die dunkle Energie eine kosmologische Konstante ist. Deswegen stehen die einzigen Beobachtungsgrößen, welche die Modelle zu unterscheiden vermögen im Zusammenhang mit Strukturbildung. Wir untersuchen mit semi-analytischen Methoden die Häufigkeit von dunkle-Materie-Halos pro Halo-Masse und erhalten für diese eine Fitfunktion, die vom Wert des neuen Modellparameters abhängt, welcher die Reichweite und Stärke der fünften Kraft bestimmt. Wir finden eine gute übereinstimmung der auf diese Weise bestimmten theoretischen Massenfunktion mit denjenigen bestimmt aus Monte-Carlo und N-Teilchen Simulationen. Die von uns gefundene Fitfunktion vermag das Modell durch Beobachtungen von Galaxienhaufen zu testen und kann dazu dienen nach den charakteristischen Signaturen des Chamäleon-Mechanismus in den Beobachtungsdaten zu suchen. In Kapitel 3 und 4 zeigen wir, dass die Newtonsche Gravitationstheorie anstelle der Allgemeinen Relativitätstheorie auf allen Längenskalen verwendet werden kann, um akkurat die Entstehung der größten Strukturen zu beschreiben, sofern das Universum von kalter dunkler Materie und einer kosmologischen Konstante dominiert wird. In Kapitel 5 zeigen wir, dass ein komplexes Skalarfeld, welches die Schrödinger-Poisson-Gleichung erfüllt, in der Lage ist kollisionsfreie selbstgravitierende dunkle Materie mit der selben Zahl an Freiheitsgraden zu beschreiben wie das weitverbreitete Staubmodell. Im Gegensatz zum Staubmodell ist das Skalarfeldmodell frei von Singularitäten, weswegen es analytische und numerische Studien von komplett nichtlinearen Prozessen wie Halo-Entstehung erlaubt. In Kapitel 6 untersuchen wir die Clusterung von Halos, oder die Halo-Korrelationsfunktion, wie sie im Rotverschiebungsraum beobachtet wird. Dazu entwickeln wir ein verbessertes Modell für die Dynamik von Halos, welches auf einer Körnung des Staubmodells und einer Verallgemeinerung des Gaussian-Streaming-Modells auf beliebige Phasenraumfunktionen beruht. Wir vergleichen unsere Resultate mit Messgrößen aus einer N-Teilchen-Simulation und finden, dass das granulierte Modell die Genauigkeit der vorhergesagten Korrelationsfunkionen im Rotverschiebungsraum wesentlich verbessert.

Wir untersuchen stark gekoppelte Phänomene unter Verwendung der Dualität zwischen Eich- und Gravitationstheorien. Dabei liegt ein besonderer Fokus einerseits auf Vortex Lösungen, die von einem magnetischem Feld verursacht werden, und andererseits auf zeitabhängigen Problemen in holographischen Modellen. Das wichtigste Ergebnis ist die Entdeckung eines unerwarteten Effektes in einem einfachen holografischen Modell: ein starkes nicht abelsches magnetisches Feld verursacht die Entstehung eines Grundzustandes in der Form eines dreieckigen Gitters von Vortices. Die Dualität zwischen Eich- und Gravitationstheorien ist ein mächtiges Werkzeug welches bereits verwendet wurde um stark gekoppelte Systeme vom Quark-Gluonen Plasma in Teilchenbeschleunigern bis hin zu Festkörpertheorien zu beschreiben. Die wichtigste Idee ist dabei die der Dualität: Eine stark gekoppelte Quantenfeldtheorie kann untersucht werden, indem man die Eigenschaften eines aus den Einsteinschen Feldgleichungen folgenden Gravitations-Hintergrundes bestimmt. Eine der Gravitationstheorien, die in dieser Arbeit behandelt werden, ist eine Einstein--Yang--Mills Theorie in einem AdS--Schwarzschild Hintergrund mit SU(2)-Eichsymmetrie. Der Ansatz für das Eichfeld ist so gewählt, dass die zugehörige Quantenfeldtheorie einem externen Magnetfeld ausgesetzt ist. Oberhalb eines kritischen Magnetfeldes wird die Konfiguration instabil und zeigt einen Phasenübergang zu einem Supraleiter. Die Instabilität wird mit zwei Ansätzen untersucht. Zum einen werden Fluktuationen des Hintergrunds betrachtet und die Quasinormalmoden analysiert. Zum anderen zeigt die numerische Analyse der Bewegungsgleichungen, dass das effektive Schrödinger-Potential mit stärker werdendem Magnetfeld sich so lange verändert, bis ein gebundener Zustand möglich wird. Der sich ergebende supraleitende Grundzustand ist durch ein dreieckiges Vortexgitter gegeben, wie eine störungstheoretische Entwicklung über einem kleinen Parameter proportional zur Größe des Kondensats zeigt. Zur Bestimmung des energetisch bevorzugten Zustands wird mithilfe der holographischen Übersetzungsvorschrift die Gesamtenergie verschiedener Lösungen berechnet. Hierfür wird die Lösung der Bewegungsgleichungen zur dritten Ordnung in oben genanntem Parameter berechnet. Zusätzlich wird gezeigt, dass dieses Ergebnis auch für den Fall einer AdS--hard wall Geometrie gilt, also einer Feldtheorie mit Confinement. Als nächstes erweitern wir das einfache Gravitationsmodell um ein chemisches Potential und wiederholen die Untersuchung. Sind das chemische Potential, das magnetische Feld oder beide groß genug, so befindet sich das System in einer supraleitenden Phase. Wir berechnen das Phasendiagramm des Systems numerisch. Der Grundzustand der supraleitenden Phase nahe dem Phasenübergang ist ein dreieckiges Vortexgitter, wobei der Gitterabstand nur von der Stärke des magnetischen Feldes abhängt. Die Relevanz dieser Ergebnisse wird im Zusammenhang mit inhomogenen Grundzuständen in holographischen Supraleitern diskutiert, einem Themengebiet welches in letzter Zeit viel Interesse auf sich gezogen hat. Die erhaltenen Resultate sind nicht nur aufgrund der vorher unbekannten inhomogenen Lösung der Gravitationstheorie mit Schwarzem Loch neuartig. Es ist auch interessant, dass ein großes magnetisches Feld die Vortexstruktur im Grundzustand induziert anstatt sie zu unterdrücken. Des Weiteren untersuchen wir zeitabhängige Phänomene in einer holographischen Erweiterung des Kondomodells. Letzteres beschreibt ein einfaches Modell in der Festkörperphysik, in welchem eine magnetische Verunreinigung stark an ein Elektronenreservoir koppelt. Die holographische Beschreibung erfordert Techniken der numerischen Relativitätstheorie und erlaubt uns die Entwicklung des Systems nach einem plötzlichen Sprung in der Kopplungskonstante zu simulieren. Diese Doktorarbeit basiert auf Ergebnissen, die der Autor während des Studiums am Max-Planck-Institut-für-Physik in München, Deutschland unter der Betreuung von PD Dr. J. K. Erdmenger von August 2011 bis Mai 2014 erreicht hat. Die relevanten Veröffentlichungen sind: [1] M. Ammon, J. Erdmenger, P. Kerner, and M. Strydom, “Black Hole Instability Induced by a Magnetic Field,” Phys.Lett. B706 (2011) 94–99, arXiv:1106.4551 [hep-th], [2] Y.-Y. Bu, J. Erdmenger, J. P. Shock, and M. Strydom, “Magnetic field induced lattice ground states from holography,” JHEP 1303 (2013) 165, arXiv:1210.6669 [hep-th]. / We study strongly-coupled phenomena using gauge/gravity duality, with a particular focus on vortex solutions produced by magnetic field and time-dependent problems in holographic models. The main result is the discovery of a counter-intuitive effect where a strong non-abelian magnetic field induces the formation of a triangular vortex lattice ground state in a simple holographic model. Gauge/gravity duality is a powerful theoretical tool that has been used to study strongly-coupled systems ranging from the quark-gluon plasma produced at particle colliders to condensed matter theories. The most important idea is that of duality: a strongly coupled quantum field theory can be studied by investigating the properties of a particular gravity background described by Einstein's equations. One gravity background we study in this dissertation is AdS--Schwarzschild with an SU(2) gauge field. We switch on the gauge field component that gives the field theory an external magnetic field. When the magnetic field is above a critical value, we find that the system is unstable, indicating a superconducting phase transition. We find the instability in two ways. Firstly, we do a quasinormal mode analysis, studying fluctuations about the background. Secondly, we rewrite the equations in Schrödinger form and numerically find that, as the magnetic field is increased, the potential deepens until it is capable of supporting a bound state. Next we show that the resulting superconducting ground state is a triangular vortex lattice. This is done by performing a perturbative expansion in a small parameter proportional to the condensate size. After solving the equations to third order, we use the holographic dictionary to calculate the total energy of different lattice solutions and identify the minimum energy state. In addition, we show that the result holds in an AdS--hard wall model as well, which is dual to a confining theory. Next we extend the simple gravity model to include a chemical potential and repeat the analysis. When the chemical potential, magnetic field or both are large, the system is in a superconducting phase. We calculate the precise phase diagram numerically. The ground state in the superconducting phase near the phase transition line is shown to be a triangular vortex lattice with lattice spacing depending only on the magnetic field strength. We comment on the relevance of the results to the study of inhomogeneous ground states in holographic superconductors, a topic in which there has been much interest recently. Our results are novel not only because of the previously unknown inhomogeneous black hole solution, but also because of the effect of a large magnetic field inducing rather than inhibiting the vortex lattice ground state in a holographic model. We also study time-dependent phenomena in a holographic generalisation of the Kondo model, a simple condensed matter model of a magnetic impurity coupled strongly to a sea of electrons. This requires techniques from numerical relativity and allows us to determine the response of the system to a quench in the coupling. This dissertation is based on work the author did during a PhD fellowship under the supervision of PD Dr. J. K. Erdmenger at the Max-Planck-Institut für Physik in Munich, Germany from August 2011 to May 2014. The relevant publications are: [1] M. Ammon, J. Erdmenger, P. Kerner, and M. Strydom, “Black Hole Instability Induced by a Magnetic Field,” Phys.Lett. B706 (2011) 94–99, arXiv:1106.4551 [hep-th], [2] Y.-Y. Bu, J. Erdmenger, J. P. Shock, and M. Strydom, “Magnetic field induced lattice ground states from holography,” JHEP 1303 (2013) 165, arXiv:1210.6669 [hep-th]. / Ons bestudeer sterk gekoppelde fenomene deur die gebruik van dualiteit tussen ykteorieë en gravitasieteorieë. Ons fokus spesifiek op vorteks oplossings wat deur magnetiese velde voortgebring word, asook tyd-afhanklike probleme in holografiese modelle. Die belangrikste resultaat is die ontdekking van 'n onverwagte effek waar sterk nie-abelse magnetiese velde 'n driehoekige vorteksrooster grondtoestand uitlok in 'n holografiese model. Die dualiteit tussen ykteorieë en gravitasie is 'n nuttige instrument wat al gebruik is om sterk-gekoppelde stelsels te bestudeer wat wissel van die kwark-gluon plasma, wat geproduseer is by deeltjieversnellers, tot gekondenseerde materie teorieë. Die belangrikste begrip is dualiteit: 'n sterk gekoppelde kwantumveldteorie kan bestudeer word deur die eienskappe van 'n spesifieke swaartekrag agtergrond, wat beskryf word deur Einstein se vergelykings, te ondersoek. Een swaartekrag agtergrond wat ons bestudeer is AdS--Schwarzschild met 'n SU(2) ykveld. Ons skakel die ykveld komponent aan wat in die veldteorie duaal is aan 'n eksterne magnetiese veld. Wanneer die magnetiese veld bo 'n spesifieke waarde val, vind ons dat die stelsel onstabiel is, wat dui op 'n supergeleidende fase oorgang. Ons vind die onstabiliteit op twee maniere. Eerstens, doen ons 'n quasinormale modus analise, waarin ons versteurings van die agtergrond bestudeer. Tweedens, herskryf ons die vergelykings in Schrödinger vorm en vind numeries dat soos die magnetiese veld sterker word, verdiep die potensiaal totdat dit diep genoeg is vir 'n gebonde toestand om te vorm. Volgende wys ons dat die gevolglike supergeleidende grondtoestand 'n rooster van driehoekige vortekse is. Dit word gedoen deur die uitvoering van 'n versteuringsuitbreiding in 'n klein parameter wat proporsioneel is tot die grootte van die kondensaat. Na die oplossing van die vergelykings tot op die derde orde, gebruik ons ​​die holografiese vertalingsvoorskrif om die totale energie van verskillende rooster oplossings te bereken en​​~die minimum energie toestand te identifiseer. Daarna wys ons dat die gevolge in 'n AdS--hard wall model ook waar is. Die AdS--hard muur model is duaal tot 'n teorie met confinement. Volgende brei ons die eenvoudige swaartekrag model uit sodat dit 'n chemiese potensiaal in sluit en dan herhaal ons die analise. Wanneer die chemiese potensiaal, magnetiese veld of albei groot is, is die stelsel in 'n supergeleidende fase. Ons bereken die fase diagram numeries. Die grondtoestand in die supergeleidende fase naby die fase-oorgangslyn vorm 'n driehoekige vorteksrooster met rooster spasiëring wat afhang van die sterkte van die magnetiese veld. Ons lewer kommentaar op die toepaslikheid van die resultate tot nie-homogene grondtoestande in holografiese supergeleiers, 'n onderwerp waarin daar onlangs baie belangstelling was. Die nuwigheid van ons resultate l\^e in beide die voorheen onbekende swartkolk oplossing en die effek van 'n groot magnetiese veld wat die vorteksrooster grondtoestand in 'n holografiese model eerder voortbring as verhinder. Ons bestudeer ook tyd-afhanklike fenomene in 'n holografiese veralgemening van die Kondo model, 'n eenvoudige gekondenseerde materie model van 'n magnetiese onreinheid wat sterk koppel aan 'n see van elektrone. Dit vereis tegnieke van numeriese relatiwiteit en laat ons toe om die reaksie van die stelsel te bepaal na 'n vinnige sprong in die koppeling. Hierdie verhandeling is gebaseer op die werk wat die skrywer tydens 'n PhD program onder die toesig van PD Dr JK Erdmenger by die Max Planck-Institut-für Physik in München, Duitsland vanaf Augustus 2011 tot Mei 2014 gedoen het. Die toespaslike publikasies is: [1] M. Ammon, J. Erdmenger, P. Kerner, and M. Strydom, “Black Hole Instability Induced by a Magnetic Field,” Phys.Lett. B706 (2011) 94–99, arXiv:1106.4551 [hep-th], [2] Y.-Y. Bu, J. Erdmenger, J. P. Shock, and M. Strydom, “Magnetic field induced lattice ground states from holography,” JHEP 1303 (2013) 165, arXiv:1210.6669 [hep-th].

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The chemical compositions of the stars and gas in galaxies play a significant role in all their key evolutionary processes, from gas cooling, through star formation, to the production of new heavy elements that are released back into the gas as stars die in supernova explosions. A theoretical explanation of the production of elements heavier than helium (known simply as `metals' in astrophysics) in stars and its distribution throughout galaxies has been developing since the first postulation of stellar nucleosynthesis in the 1920s. However, there are still a number of unanswered questions in the field of galactic chemical evolution (GCE). For example, what is the most accurate way to measure the metallicities in galaxies? What are the relative contributions to GCE from different types of stars? How is this metal-rich material circulated throughout the various components of a galaxy? And how can we explain the seemingly incompatible chemical properties observed in different galaxies in the local Universe? This thesis provides an investigation into the chemical enrichment of galaxies, by utilising both observations of nearby galaxies and sophisticated GCE models within a semi-analytic model of galaxy evolution. Its core aims are a) to better quantify the chemical properties seen in low-redshift galaxies and explain there likely causes, and b) to develop an improved GCE model that can simultaneously reproduce the diverse chemical properties seen in different types of galaxies in the local Universe. With these aims in mind, Chapter 1 outlines the key background knowledge required for such an investigation. It discusses the different methods used for measuring the metallicity of real galaxies, and their various shortcomings. It also describes simple, analytic GCE models, and the sophisticated semi-analytic model, L-Galaxies, that is used to simulate galaxy evolution in detail. In Chapters 2 and 3, I provide an investigation into the relation between stellar mass (M*), star formation rate (SFR), and gas-phase metallicity (Zg) in galaxies. It is shown that the L-Galaxies model reproduces the positive correlation between SFR and Zg in massive galaxies that is seen when using sophisticated, theoretical metallicity diagnostics. This lends support to the use of such diagnostics over simpler, emission-line ratios. It is further shown that, in the semi-analytic model, this SFR-Zg correlation is due to the gradual dilution of the gas in low-SFR, elliptical galaxies, after a gas-rich merger event. A number of signatures of this particular evolution can be seen in these model galaxies at redshift zero, including low gas fractions and low values of (Zg-Z*). Crucially, all of these properties are also seen in nearby elliptical galaxies in the Sloan Digital Sky Survey (SDSS), providing indirect evidence that such an evolutionary process is also occurring in the elliptical galaxy population in the real Universe. In Chapter 4, I present a new, sophisticated GCE model implemented into L-Galaxies, that significantly improves on the previous scheme. It does this by accounting for the delayed enrichment of many chemical elements from stars, of various initial masses and metallicities, via stellar winds and supernovae. This new scheme enables a much more detailed study of the chemical evolution of galaxies, and enables a comparison with a larger range of observational data. In Chapter 5, I demonstrate that this new model is able to simultaneously reproduce the chemical properties observed in a) the gas of local, star-forming galaxies, b) the photospheres of G dwarfs in the Milky Way disc, and c) the integrated stellar populations of nearby elliptical galaxies. Furthermore, the model is able to do this without any significant deviation from the standard framework of galaxy formation in the canonical paradigm of hierarchical structure formation. This can be seen as a significant achievement, which has allowed us to form a much more comprehensive view of GCE than was possible before. / In den entscheidenden Entstehungsprozessen von Galaxien spielt die chemische Zusammensetzung von Sternen und Gas eine bedeutende Rolle: Von der Gaskühlung über die Sternentstehung bis hin zur Produktion neuer schwerer Elemente, die ins Gas zurückgegeben werden, wenn Sterne in Supernovae-Explosionen sterben. Eine theoretische Erklärung der Produktion von schwerer Elementen in Sternen sowie deren Verteilung in Galaxien wurde seit der ersten Erklärung der stellaren Nukleosynthese in den 1920ern entwickelt. Dennoch gibt es immer noch eine Reihe offener Fragen auf dem Gebiet der chemischen Galaxienentwicklung (galactic chemical evolution - GCE). Zum Beispiel: Was ist die genaueste Methode um die Metallizität von Galaxien zu messen? Welches sind die verhältnismäßigen Anteile der GCE bei unterschiedlichen Sternarten? Wie ist das metallreiche Material innerhalb der verschiedenen Teile einer Galaxie verteilt? Wie können wir die scheinbar inkompatiblen chemischen Eigenschaften erklären, die in verschiedenen Galaxien der kosmischen Nachbarschaft beobachtet werden? Diese Doktorarbeit untersucht die chemische Anreicherung von Galaxien in zweierlei Hinsicht: Es werden sowohl Beobachtungen naher Galaxien, als auch differenzierte GCE-Modelle im Rahmen eines semi-analytischen Galaxienentwicklungsmodells verwendet. Folgende Ziele hat die Arbeit: a) Sie soll die chemischen Eigenschaften von Galaxien mit niedriger Rotverschiebung quantifizierbar machen und mögliche Ursachen erklären. b) Es soll ein verbessertes GCE-Modell entwickelt werden, das die verschiedenen chemischen Eigenschaften abbildet, die in den Galaxien der kosmischen Nachbarschaft beobachtet werden können. Aufbauend auf dieser Zielsetzung wird in Kapitel 1 das nötige Hintergrundwissen erläutert, das für das Verständnis der Untersuchung wichtig ist. Dabei geht es um die verschiedenen Messmethoden zur Feststellung der Metallizität echter Galaxien sowie deren Schwächen. Neben einfachen analytischen GCE-Modellen werden auch die semi-analytischen Modelle, L-Galaxies beschrieben. In den Kapiteln 2 und 3 erläutere ich den Zusammenhang von stellar mass (M*), star formation rate (SFR) und der gas-phase metallicity (Zg) in Galaxien. Es zeigt sich, dass das L-Galaxies-Modell den positiven Zusammenhang zwischen SFR und Zg in massiven Galaxien abbildet. Dieser wird auch deutlich, wenn theoretische Metallizitätsdiagnosen zur Anwendung kommen statt einfacherer Diagnosen. Außerdem wird gezeigt, dass im semi-analytischen Modell die Wechselwirkung von SFR-Zg auf eine allmähliche Verdünnung des Gas in elliptischen Galaxien zurückzuführen ist, die nach dem Verschmelzen zweier gas-reicher Galaxien SFR-arm sind. Einige Merkmale dieser besonderen Entstehung, wie beispielsweise eine niedrige Gasfraktion und niedrige (Zg-Z*), können auch in den besagten Modellgalaxien gesehen werden. Entscheidend ist außerdem, dass all diese Eigenschaften auch im Rahmen der Sloan Digital Sky Survey (SDSS) in nahe gelegenen elliptischen Galaxien beobachtet werden. Das ist ein indirekter Beweis dafür, dass es diese Art von evolutionärem Entstehungsprozess tatsächlich in den elliptischen Galaxien unseres Universums gibt. In Kapitel 4 stelle ich ein neues, differenziertes GCE-Modell vor, das in L-Galaxies implementiert wurde. Es ist besser als sein Vorgänger, da es die durch Sternenwinde und Supernoven verzögerte Anreicherung vieler chemischer Elemente von verschiedenen Sternen berücksichtigt. Das neue Modell erlaubt also zum einen eine detailliertere Betrachtung der chemischen Entstehung von Galaxien und zum anderen macht es den Vergleich einer größeren Bandbreite von Beobachtungsdaten möglich. In Kapitel 5 erläutere ich schließlich, dass das neue Modell gleichzeitig die chemischen Eigenschaften reproduzieren kann, die an folgenden Stellen beobachtet werden: a) im Gas lokaler, sternbildender Galaxien. b) in den Photosphären von G-Zwergen auf der Milchstraßen . c) den integrierten Sternenpopulationen elliptischer Galaxien in der Nachbarschaft. Hinzu kommt, dass es das Modell ermöglicht, all dies zu tun, ohne dabei vom Standardrahmen abzuweichen, den unser kanonisches Verständnis der Galaxienentwicklung bildet. Diese bedeutende Errungenschaft macht es uns jetzt möglich, GCE in einem wesentlich umfassenderen Rahmen zu betrachten.

This modelling study aims to gain an improved understanding of the processes that determine the water vapour budget in the stratosphere by means of the investigation of water isotope ratios. At first, a separate hydrological cycle has been introduced into the chemistry-climate model EMAC, including the water isotopologues HDO and H218O and their physical fractionation processes. Additionally, an explicit computation of the contribution of methane oxidation to HDO has been incorporated. EMAC simulates explicit stratospheric dynamics and a highly resolved tropical tropopause layer. These model expansions, now allow detailed analyses of water vapour and its isotope ratio with respect to deuterium (deltaD(H2O)), throughout the stratosphere and in the transition region to the troposphere. In order to assure the correct representation of the water isotopologues in the model's hydrological cycle, the expanded system has been evaluated in several steps. The physical fractionation effects have been evaluated by comparison of the simulated isotopic composition of precipitation with measurements from a ground-based network (GNIP) and with the results from an isotopologue-enabled ECHAM5 general circulation model version. The model's representation of the chemical HDO precursor CH3D in the stratosphere has been confirmed by a comparison with chemical transport models (CHEM1D, CHEM2D) and measurements from radiosonde flights. Finally, the simulated HDO and deltaD(H2O) have been evaluated in the stratosphere, with respect to retrievals from three different satellite instruments (MIPAS, ACE-FTS, SMR). Discrepancies in stratospheric deltaD(H2O) between two of the three satellite retrievals can now partly be explained. The simulated seasonal cycle of tropical deltaD(H2O) in the stratosphere exhibits a weak tape recorder signal, which fades out at altitudes around 25 km. This result ranges between the pronounced tape recorder signal in the MIPAS observations and the missing upward propagation of the seasonal variations in the ACE-FTS retrieval. Revisions of different insufficencies in the respective satellite measurements, however, are expected to alter both observational datasets towards the results of the EMAC model. Extensive analyses of the water isotope ratios have revealed the driving mechanisms of the stratospheric deltaD(H2O) tape recorder signal in the EMAC simulation. A sensitivity study without the impact of methane oxidation on deltaD(H2O) demonstrates the damping effect of this chemical process on the tape recorder signal. An investigation of the origin of the enhanced deltaD(H2O) in the lower stratosphere during boreal summer, shows isotopically enriched water vapour, crossing the tropopause over the subtropical Western Pacic. A correlation analysis confirms this link, and thus the Asian Summer Monsoon could be identified to be the major contributing process for the stratospheric deltaD(H2O) tape recorder. This finding contradicts an analysis of ACE-FTS satellite data, which assigns the lower stratospheric deltaD(H2O) increase during boreal summer to the North American Monsoon. A possible explanation for this discrepancy has been found to be an underrepresentation of convective ice overshooting in the applied convection scheme. / Diese Modellstudie hat ein besseres Verständnis jener Prozesse zum Ziel, die das Wasserdampfbudget in der Stratosphäre bestimmen und stützt sich auf die Untersuchung des Isotopenverhältnisses von Wasser. Zunächst wurde ein eigenständiger hydrologischer Zyklus in das Chemie-Klimamodell EMAC eingebaut, welcher die Wasserisotopologe HDO und H218O sowie deren physikalische Fraktionierungsprozesse enthält. Zusätzlich wurde eine explizite Berechnung des Beitrages der Methanoxidation zu HDO eingefügt. EMAC simuliert eine hochaufgelöste tropische Tropopausenschicht sowie explizite Stratosphärendynamik. Mit diesen Modellerweiterungen ist es nun möglich, genaue Analysen von Wasserdampf und dessen Isotopenverhältnis im Bezug auf Deuterium (deltaD(H2O)) in der gesamten Stratosphäre, sowie im Übergangsbereich zur Troposphäre durchzuführen. Um die korrekte Darstellung der Wasserisotopologe im hydrologischen Zyklus des Modells zu gewährleisten, wurde das erweiterte System in mehreren Schritten evaluiert. Die physikalischen Fraktionierungseffekte wurden in einem Vergleich der simulierten Isotopenverhältnisse im Niederschlag mit Messungen eines Netzwerkes an Bodenstationen (GNIP) und mit Ergebnissen einer, mit Wasserisotopologen ausgestatteten, ECHAM5 Modellversion evaluiert. Die Güte des simulierten chemischen HDO-Vorläufers CH3D in der Stratosphäre des Modells wurde durch einen Vergleich der Ergebnisse mit chemischen Transportmodellen (CHEM1D, CHEM2D) und Messungen von Radiosondenaufstiegen überprüft. Abschließend wurde simuliertes HDO und deltaD(H2O) anhand von Messungen drei verschiedener Satelliteninstrumente (MIPAS, ACE-FTS, SMR) evaluiert. Abweichungen im deltaD(H2O) zwischen zwei der drei satellitengestützten Beobachtungen können nun teilweise erklärt werden. Der simulierte Jahresgang von tropischem deltaD(H2O) in der Stratosphäre weist ein schwaches 'tape recorder' Signal auf, welches sich in Höhen um 25 km auflöst. Dieses Ergebnis ist zwischen das ausgeprägte 'tape recorder' Signal in MIPAS- Beobachtungen und die nicht erkennbare vertikale Ausbreitung des Jahresgangs in ACE-FTS-Messungen einzuordnen. Die Beseitigung unterschiedlicher Mängel in den jeweiligen Satellitenmessungen lässt jedoch eine Veränderung beider Beobachtungsdatensätze in Richtung der Ergebnisse des EMAC Modells erwarten. Eingehende Analysen der Wasserisotopenverhältnisse in der EMAC Simulation haben die für den stratosphärischen deltaD(H2O)-'tape recorder' verantwortlichen Prozesse aufgezeigt. Eine Sensitivitätsstudie ohne Einfluss der Methanoxidation auf deltaD(H2O) veranschaulicht den dämpfenden Einfluss dieses chemischen Prozesses auf das 'tape recorder' Signal. Eine Untersuchung des Ursprungs des erhöhten deltaD(H2O) in der unteren Stratosphäre im Nordsommer weist isotopisch angereicherten Wasserdampf nach, welcher die Tropopause über dem subtropischen Westpazifik durchquert. Eine Korrelationsanalyse bestätigt diese Verbindung und kennzeichnet damit den Asiatischen Sommermonsun als den wesentlichen beitragenden Faktor zum stratosphärischen deltaD(H2O)-'tape recorder'. Dieses Ergebnis steht im Gegensatz zu einer Auswertung von ACE-FTS-Satellitendaten, welche den deltaD(H2O) Anstieg in der unteren Stratosphäre im Nordsommer dem Nordamerikanischen Monsun zuweist. Als mögliche Erklärung für diesen Widerspruch konnte das, in dem verwendeten Konvektionsschema unzureichend auftretende, konvektive Überschießen von Wolkeneis ausgemacht werden.