Gegenstand der vorliegenden Arbeit sind Experimente, in denen freie Elektronen in den Mikrowellenfeldern eines Quadrupolleiters manipuliert werden. Die Erzeugung der elektrischen Felder mit Hilfe eines planaren Mikrowellensubstrats ermöglicht es, die Bewegung langsamer Elektronen mit Energien unterhalb von 10 eV auf vielfältige Art und Weise zu beeinflussen. In diesem Zusammenhang bieten planare Substrate den zentralen Vorteil, dass fein strukturierte Potentiallandschaften im Nahfeld der Mikrowellenanregung erzeugt werden können. Zudem kann ein tiefer Einschluss der Elektronen in diesem Potential gewährleistet werden. Dies schafft ideale Voraussetzungen für die Realisierung von planaren Strahlteilern oder Resonatoren für Elektronen, die wiederum Perspektiven für neuartige Quantenoptikexperimente mit geführten Elektronen eröffnen. Im Rahmen dieser Arbeit ist es zum ersten Mal gelungen, einen geführten Elektronenstrahl an der Oberfläche eines strukturierten Mikrowellensubstrats aufzuspalten und die Funktionsweise des Strahlteilers experimentell zu untersuchen. Die erfolgreiche Durchführung dieses Experiments basiert auf der Erzeugung eines mikrostrukturierten Strahlteilerpotentials und dem Einsatz von Treiberfrequenzen im Gigahertzbereich. Zu diesem Zweck haben wir ein Mikrowellensubstrat entwickelt, das ein einschließendes Potential erzeugt, in dem Elektronen entlang eines Pfades geführt werden, der sukzessive in zwei Pfade auffächert. In unserem Experiment beobachten wir hinter dem Strahlteilersubstrat zwei symmetrisch aufgespaltene Elektronenstrahlen. Außerdem stellen wir fest, dass ab einer Elektronenenergie von 3 eV erhebliche Verluste das Elektronensignal dominieren. Aus diesem Grund präsentieren wir Simulationen, die die Welleneigenschaften der Elektronen berücksichtigen und das Strahlteilerpotential in der Hinsicht verbessern, dass Anregungen der Elektronenbewegung während der Aufspaltung minimiert werden. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf dem Entwurf und der experimentellen Vermessung einer Elektronenkanone, die auf eine scharfe Metallspitze als Elektronenquelle zurückgreift. Mit Hilfe dieser Elektronenkanone wollen wir einen gepulsten, beugungslimitierten Elektronenstrahl erzeugen und diesen in den Elektronenleiter einspeisen. Des Weiteren können wir im Rahmen dieses Experiments mittels Elektroneninterferenz nachweisen, dass ein von einer lasergetriebenen Metallspitze photoemittierter Elektronenstrahl hervorragende räumliche Kohärenzeigenschaften besitzt. Diese Beobachtung ist für alle zeitaufgelösten Anwendungen relevant, die eine lasergetrieben Metallspitze zur Erzeugung kohärenter Elektronenstrahlen einsetzen. In zukünftigen Experimenten wollen wir die hohe zeitliche Kontrolle der lasergetriebenen Elektronenquelle mit der räumlichen Kontrolle über geführte Elektronen vereinen. Der transversale Einschluss geführter Elektronen führt naturgemäß dazu, dass die Dynamik im einschließenden Potential durch diskrete Quantenzustände beschrieben wird. Im Prinzip sollte es daher möglich sein, Elektronen in quantisierten Bewegungszuständen zu erzeugen, die tief im Potential des Elektronenleiters liegen. Grundvoraussetzung dafür ist eine beugungslimitierte Elektronenquelle, sowie ein Potential, das Elektronen einen sanften Übergang in den Elektronenleiter erlaubt. In dieser Arbeit zeigen wir, dass mit Hilfe einer optimierten Einkoppelstruktur und einer gepulsten Elektronenquelle Elektronen nahezu störungsfrei in das einschließende Potential überführt werden können. Dies ist eine wichtige Maßnahme, um Elektronen in weiterführenden Experimenten direkt in Quantenzustände des Elektronenleiters einzuspeisen. / This work reports on the manipulation of slow electrons in free space using a microwave quadrupole guide. The generation of the electric fields by means of a planar microwave chip provides an entirely new electron toolkit that allows the guidance and steerage of electrons with kinetic energies below 10 eV. As a key feature, this chip-based technology combines the flexibility to engineer microstructured guiding potentials in the near-field of the microwave excitation with tight transverse confinement of the guided electrons. This renders planar guiding structures ideally suited for the implementation of electron beam splitters or resonators with prospects for novel quantum optics experiments with guided electrons. We present an experiment that demonstrates, for the first time, the realization of a chip-based beam splitter for low-energy electrons. Crucial for the success of the experiment is the generation of a finely structured beam splitter potential and the operation at drive frequencies in the gigahertz range. We report on the design of an optimized microwave chip that generates a beam splitter guiding potential by gradually transforming from a single-well harmonic confinement into a double well along the chip. In the experiment we observe an electron signal with two symmetrically split up output beams. Furthermore we find that with increasing electron kinetic energy, electron loss starts to dominate the electron signal for energies above 3 eV. To this end, we present results of wave-optical simulations that further optimize the guiding potential to reduce excitations in the electron motion as an adverse effect of the splitting process. A second main result of this thesis is the construction and experimental characterization of an electron gun that is based on a nanotip electron emitter. It is specifically designed to provide a pulsed, diffraction-limited electron beam for injection into the guide. We prove that photoemitted electron beams from a laser-triggered nanotip are spatially highly coherent using an electron interference setup. This finding is of importance for all time-resolved applications that employ coherent electron beams from a laser-triggered nanotip. Unprecedented spatial and temporal control over guided electrons can be achieved when combining this coherent laser-triggered electron source with a microwave electron guide. The transverse guiding potential naturally provides discretized motional quantum states that govern the dynamics of guided electrons. Ultimately, it should be possible to directly inject electrons into low-lying motional quantum states of the guiding potential. As prerequisites, this necessitates a diffraction-limited electron gun and a guiding potential that provides electrons a smooth passage into the guide. Therefore, we employ an optimized coupling electrode structure as well as a pulsed electron source to demonstrate experimentally that electron excitations at the guide entrance can be greatly reduced. This paves the way towards the direct injection of electrons into motional quantum states of the guide.

Epithelzellen, die Modell-Zelllinien dieser Dissertation, sind für die Aufteilung und Abtrennung verschiedener Kompartimente eines Organismus zuständig, indem sie sich zu Grenzflächen zusammenschliessen, welche häufig hohen physikalischen Spannungen und Kräften ausgesetzt sind. Um diese physikalischen Kräfte zu verarbeiten oder sie selbst zu produzieren, verwenden Epithelzellen, wie alle anderen Zelltypen auch, das Zytoskelett, das sich im Allgemeinen aus den Komponenten Mikrotubuli, Intermediär-Filamenten und Aktin sowie den damit korrespondierenden Motorproteinen Dynein, Kinesin sowie Myosin zusammensetzt. In dieser Dissertation wird das Zusammenspiel von Aktin und Myosin auf der apikalen Seite von Epithelzellen untersucht. Im Falle von konfluenten Zellen mit vollständig ausgebildeten Zell-Zell-Kontakten sind auf der apikalen Seite der Zellen Mikrovilli zu finden, kleine, mit Aktin-Bündeln gefüllte Ausstülpungen aus der Zelloberfläche, welche für die optimierte Nahrungsaufnahme sowie als Antennen für Signalverarbeitung zuständig sind. Im Zuge der Arbeit konnten wir feststellen, dass sich der Aktin-Myosin-Aufbau auf der apikalen Seite von Einzelzellen ohne Zell-Zell-Kontakte, sogenannten nicht-konfluenten Zellen, grundsätzlich ändert. Mittels Fluoreszenz-Mikroskopie und anderen experimentellen Methoden zeigen wir, dass zwar ähnliche Ausstülpungen auf der apikalen Oberfläche von Einzelzellen zu finden, diese jedoch häufig verlängert, gebogen, hoch-dynamisch und oft parallel zur Zellmembran orientiert sind. Wir zeigen mittels molekularbiologischer Methoden, dass ein zusätzliches, innerhalb der apikalen Zellmembran liegendes isotropes Akto-Myosin-Netzwerk für die dynamische Reorganisation der Mikrovilli-Ausstülpungen verantwortlich ist. Der Identifzierung des isotropen Akto-Myosin-Netzwerkes, welches eine der Hauptaussagen dieser Dissertation ist, wird eine detaillierte Analyse der dynamischen Netzwerkreorganisation angefügt, die mittels temporaler und örtlicher Bild-Korrelationsanalysen charakteristische Zeiten und Längen der Dynamik definiert. Des Weiteren entwickeln wir mehrere Bild- Analyseverfahren, allen voran die Methode der iterativen temporalen Bildkorellation sowie des optischen Flusses, wodurch wir eine Oszillation der Netzwerk-Reorganisationsgeschwindigkeit identifizieren und parametrisieren können. Verschiedene, auf Fluoreszenzmikroskopie und automatisierter optischer Fluss-Bildanalyse basierende Experimente geben Hinweise auf zwei mögliche Erklärungen für die identifizierten Oszillationen. Sowohl Myosin aktivitätsregulierende Proteine als auch spontan auftretende Spannungsfluktuationen im unter Zugspannung liegenden Netzwerk können mögliche Ursachen für die identifizierten Netzwerkoszillationen sein. Obwohl eine eindeutige zelluläre Funktion des apikalen Akto-Myosin-Netzwerkes im Rahmen dieser Doktorarbeit noch nicht identifiziert werden konnte, so können wir aufgrund von verschiedenen Resultaten dennoch postulieren, dass das hier identifizierte Netzwerk eine entscheidende Rolle bei der Zellmigration und Signaltransduktion einnimmt. Unabhängig davon repräsentiert das hier gefundene Netzwerk die faszinierende Möglichkeit, ein aktives, zweidimensionales Akto-Myosin-Netzwerk nicht nur in vitro, sondern in seiner natürlichen Umgebung studieren und biophysikalische Eigenschaften analysieren zu können. / The cytoskeleton plays a central role in cellular morphogenesis by generating, sensing and transmitting physical forces. Actin filaments are key cytoskeletal elements that are mostly located close to the cell cortex. They can generate protrusive or contractile forces in combination with myosin motor proteins. We have identified a novel, highly dynamic actin structure at the apical side of non-polarized epithelial cells that is driven by an underlying non muscle myosin II network. By using various image analysis techniques, such as maximum intensity tracking, optical flow and correlation analysis, we observe contractile actomyosin activity within subregions of the cell cortex. The resulting spatially restricted mechanical forces differ in directionality which leads to shear stress and friction within the apical cell cortex. Additionally, we identified a global oscillatory behavior using autocorrelation analysis methods. The actomyosin network oscillates between states of low and high activity, as confirmed by iterative temporal image correlation (ITIC), a newly developed method for global feature extraction from image sequences, and highest intensity tracking. These remarkable features of subcellular cortex regulation give important insights into how mechanical force generation and propagation control cell shape and migration in non-polarized epithelial cells.

Die vorliegende Arbeit behandelt Themen der Dynamik und der Statistik kosmischer Strukturen. Ihr vorrangiges Ziel ist es, dem Leser Werkzeuge an die Hand zu geben, um die Bildung großräumiger Strukturen im Universum sowohl analytisch als auch deskriptiv behandeln zu können. / Im dynamischen Teil erweitere ich die bekannte Zel’dovich-Approximation, welche die Strukturbildung im schwach nichtlinearen Bereich beschreibt, auf den allgemeinrelativistischen Fall. Dazu werden die Einsteingleichungen im Lagrangebild mit Cartans Coframes als alleinigen dynamischen Variablen abgeleitet, sowie analog zum Newtonschen Fall eine allgemeine Lösung für die Koeffizienten der Coframes im Störungsschema erster Ordnung bestimmt. Ich gebe eine saubere Definition der relativistischen Zel’dovich-Approximation, welche jede Feldgröße streng als ein Funktional der linearisierten Lösung ansieht und so außer bei den Coframes keine Vernachlässigungen höherer Ordnungen vornimmt. Diese Näherung, obwohl als Extrapolation einer Störungslösung gewonnen, kann nichtpertubativ angewendet werden und stellt damit ein probates Werkzeug zur Analyse nichtlinearer Modelle dar. Als Beispiel wird die Approximation für ein Universum mit flachem FLRW- Hintergrund angegeben. Weiterhin werden die entsprechenden Gleichungen mit dem elektrischen und magnetischen Teil des Weyltensors formuliert. / Im statistischen Teil stelle ich das in seiner Rohfassung von Alexander Rabus und Jens Schmalzing geschriebene und von mir weiterentwickelte Programm CHIPMINK vor, mit dessen Hilfe die Verteilung von Punkten im dreidimensionalen Raum quantitativ erfasst und analysiert werden kann. Dazu werden die partiellen Minkowskifunktionale der einzelnen Punkte eines Datensatzes berechnet und zu den globalen Funktionalen aufsummiert. Die Berechnung der Minkowskifunktionale ist schon bei kleinen Datenmengen statistisch robust, das Programm eignet sich daher im besonderen Maße zum Vergleich beobachteter und simulierter Daten – etwa zur Bewertung des einer Simulation zugrunde liegenden physikalischen Modelles. In der vorliegenden Arbeit wird es auf die in den Rotverschiebungskatalogen 2dFGRS und SDSS beobachtete Galaxienverteilung angewendet. Im Fall des SDSS werden die berechneten Minkowskifunktionale mit denjenigen für den simulierten Katalog LasDamas verglichen.

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The continuous development and improvement of laser sources has steadily increased the number of applications and pushed the limit of high precision measurements in various fields. The goal of the work presented in this thesis is to improve the spectrally broadened Ti:sapphire laser system used for isolated extreme ultraviolet (XUV) pulse generation, which has, in the last decade, allowed the study of electron dynamics on a sub-femtosecond (1 fs = 10^-15 s) level and delivered new insights into ultrafast dynamics of electrons in atoms, molecules and solids. By adding a second stage amplifier to the commonly used one-stage chirped pulse amplification laser system the compressed output power of a sub-5 fs laser system has been tripled to 1.5 mJ. A crucial part for achieving this result is the comparison of two different efficient compressor setups in order to optimize the compression. With these higher pulse energies, it is possible to increase the generated photon ux in an isolated attosecond (10^-18 s) pulse and to push the XUV photon energy higher. Run at 4 kHz repetition rate, integrative measurements with sub-2 cycle laser pulses can be conducted much faster than with most laser sources in this energy range. The resulting pulses are used for high-harmonic generation (HHG) and characterized via attosecond streaking, demonstrating excellent stability and quality of the whole laser system. First experiments with these pulses were conducted by probing the temporal behavior of the photo-emission of the giant resonance of 4d electrons in xenon with broadband XUV-pulses at 100 eV and inducing and measuring the nonlinear propagation in fused silica at high intensities via its effect on the waveform of the ultra-short visible-near-infrared pulse measured by means of attosecond streaking. The higher pulse energy of the driving laser field will also prove to be very useful as soon as nonlinear effects besides HHG contribute to the pump and probe setup e.g. an ultrashort UV-pulse is used to pump electron dynamics which are subsequently probed with high temporal resolution by the XUV-pulse. / Die beständige Entwicklung und Verbesserung der verfügbaren Laserquellen hat die Anzahl ihrer Anwendungen stetig wachsen lassen und darüber hinaus insbesondere Hochpräzissionsmessungen in vielen Bereichen dramatisch verbessert. Das Ziel dieser Doktorarbeit ist die Verbesserung der gängigsten Laserquelle zur Erzeugung von isolierten extrem-ultravioletten (XUV) Pulsen, welche im letzten Jahrzehnt das Studium von Elektronen-Dynamiken im sub-femtosekunden Bereich (1 fs = 10^-15 s) ermöglicht hat und zu vielerlei Erkenntnissen der Elektronendynamik in Atomen, Molekülen und Festkörpern beigetragen hat. Mittels der Verwendung einer zusätzlichen Verstärkerstufe, zu dem üblichen einstu- figen Verstärkersystem mit gestreckten Laserpulsen, gelang es die auf weniger als 5 fs komprimierte Laserpulsenergie auf 1,5mJ zu verdreifachen. Dafür wurden zwei unterschiedliche Konzepte für die Kompression der verstärkten Pulse miteinander verglichen. Mit dieser erhöhten Pulsenergie ist es möglich sowohl den Photonen uss in den erzeugten, isolierten Attosekundenpulsen als auch deren Photonenenergie zu erhöhen. Betrieben bei vier Kilohertz Wiederholrate, erlaubt das Lasersystem die Durchführung integrativer Messung mit zwei-Zyklen-Laserpulsen mit deutlich höherer Geschwindigkeit als die meisten anderen Laserquellen in diesem Energiebereich. Diese Laserpulse werden zur Erzeugung höherer Harmonischer eingesetzt und wurden mittels Attosekundenstreakingspektroskopie (Attosekunden-Schlierenspektroskopie) charakterisiert wobei zugleich die hervorragende Stabilität und die Qualität der XUV-pulse nachgewiesen wurde. Die so erzeugten XUV-Pulse wurden zur Durchführung erster Experimente herangezogen, zum einen zur breitbandigen, zeitlichen Charakterisierung der Photoemission der "Riesenresonanz" der Xenon{4d Schale bei 100 eV und zum anderen bei der Untersuchung der induzierten nichtlinearen Propagation in Quarzglas. Deren Ein- uss auf die elektrischen Wellenform der ultrakurzen Laserpulse im sichtbaren, nah-infraroten Spektralbereich wurde mittels Attosekunden-Streaking charakterisiert. Die höheren Pulsenergien des Lasersystems werden sich als besonders nützlich erweisen sobald weitere nichtlineare Effekte Teil des Anregungs-Abfrage-Aufbaus sind, wie z.B. bei der Erzeugung von ultrakurzen UV-Pulsen zur Anregung und der XUVPulse zur zeitlichen Abfrage, da die Intensität beider Pulse mit der Pulsenergie des fundamentalen Pulses ansteigt.

We explore the phenomenon of spontaneous symmetry breaking in the context of collective neutrino flavor oscillations. Namely, we investigate the spontaneous breaking of isotropy in a homogeneous gas of neutrinos and of azimuthal isotropy in the context of core-collapse supernovae. For the homo- geneous gas, a simple one-dimensional model is analysed in order to demonstrate the phenomenon and understand the connection to the linearized stability analysis. The effect is then investigated in the context of isotropic emission from a supernova core. We show that an azimuthally isotropic flavor configuration is unstable under the differential equations of motion. We analyse the linear stability of propagation in the flavor state and the important consequences to the general prediction of collective flavor conversion. This symmetry-breaking instability is sensitive to the ordering of the neutrino masses. / Wir untersuchen das Phänomen der spontanten Symmetriebrechung im Kontext kollektiver Neutrino-Flavour-Oszillationen. Insbesondere betrachten wir die spontane Brechung der Isotropie in einem homogenen Neutrinogas und die Brechung der azimuthalen Symmetrie im Kontext von Kernkollaps-Supernovae. Für das homogene Gas untersuchen wir ein einfaches eindimensionales Modell, um das Phänomen vorzuführen und die Verbindung zur lineariserten Stabilitätsanalyse herauszuarbeiten. Dann wird der Effekt im Kontext von isotroper Neutrinoausstrahlung aus einem Supernova-Kern angewandt. Wir zeigen, dass eine isotrope Flavour-Konfiguration unter den differ- entiellen Bewegungsgleichungen instabil ist. Wir analysieren die lineare Stabilität der Propagation im Flavour-Zustand und wichtige Konsequenzen für die allgemeine Vorhersage kollektiver Flavour- Konversion. Diese symmetriebrechende Instabilität wird von der Anordnung (“Hierarchie”) der Neutrinomassen beeinflusst.

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Nonperturbative effects are crucial to fully understand the dynamics of quantum field theories including important topics such as confinement or black hole evaporation. In this thesis we investigate two systems where nonperturbative effects are of paramount importance. In the first part we study the dynamics of non-abelian gauge theories, while in the second part we try to shed light on mysterious properties of black holes using a model proposed earlier by Dvali and Gomez.\\ Non-abelian gauge theories are the central element in the standard model of particle physics and many dynamical aspects remain elusive. $\mathcal{N}=1$ supersymmetric Yang-Mills theories with $SU(N_C)$ allows for domain walls with several curious properties. They are expected to have gauge fields with a Chern-Simons (CS) term living on their worldvolume, while in the 't Hooft limit of a large number of colors many of their properties seem reminiscent of string theoretic D-Branes. Similar domain walls were also conjectured to be present in non supersymmetric Yang Mills theories. In our work, we investigate this problem from several points of view. We construct a toy model of how to localize a gauge field with a CS term on a domain wall extending earlier work by Dvali and Shifman. We then derive the peculiar properties of CS terms in terms of effects of the underlying microscopic dynamics. Then we look at the actual theory of interest. Here the main novelty is the focus on the topological part of the Yang-Mills theory allowing us to make robust statements despite working in a strongly coupled theory. We construct the low energy effective action of both the non-supersymmetric as well as the supersymmetric Yang Mills theory, which due to the presence of a mass gap is a topological field theory. This topological field theory encodes the Aharanov-Bohm phases in the theory as well as phases due to intersection of flux tubes. In this topological field theory we see that the worldvolume theory of domain walls contains a level $N_C$ CS term. The presence of this term was already conjectured in ealier works based on string theoretic constructions. Here we give its first purely field theoretical construction. Within this construction we also illuminate differences between domain walls in the supersymmetric and non-supersymmetric case.\\ Lastly we try to relate the effects observed to similar effects in critical string theories and we also speculate on whether the behaviour of these domain walls is due to an analog of the fractional quantum hall effect.\\ In the second part of this thesis we investigate non-perturbative aspects of black hole physics. Here we consider a model for a low energy description of black holes due to Dvali and Gomez, where black holes are described in terms of a Bose-Einstein condensate (BEC) of weakly interacting gravitons near a quantum critical point. We focus on nonperturbative properties of a system of attractively self-interacting non-relativistic bosons, which was proposed as a toy model for graviton BECs by Dvali and Gomez. In this thesis we investigate this system mostly relying on a fully non-perturbative approach called exact diagonalization. We first investigate entanglement properties of the ground state of the system, showing that the ground state becomes strongly entangled as one approaches the quantum critical point. In order to make this notion precise we introduce the notion of fluctuation entanglement. We then compute it in a Bogoliubov analysis and extract it from the exact diagonlization procedure as well. We also consider the real time evolution of the system. Here we are interested in finding an analog of the conjectured fast scrambling property of black holes originally introduced by Hayden and Preskill. We only consider the weaker notion of quantum breaking and show that the toy model has a quantum break time consistent with the fast scrambling time scale conjectured in the black hole context. We then conclude by pointing out several possible extensions of these results.

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