For a bounded Lipschitz domain with Lipschitz interface we show the following compactness theorem: Any L2-bounded sequence of vector fields with L2-bounded rotations and L2-bounded divergences as well as L2-bounded tangential traces on one part of the boundary and L2-bounded normal traces on the other part of the boundary, contains a strongly L2-convergent subsequence. This generalises recent results for homogeneous mixed boundary conditions in Bauer et al. (SIAM J Math Anal 48(4):2912-2943, 2016) Bauer et al. (in: Maxwell’s Equations: Analysis and Numerics (Radon Series on Computational and Applied Mathematics 24), De Gruyter, pp. 77-104, 2019). As applications we present a related Friedrichs/Poincaré type estimate, a div-curl lemma, and show that the Maxwell operator with mixed tangential and impedance boundary conditions (Robin type boundary conditions) has compact resolvents.

These lecture notes are intended as a short introduction to diffusion processes on a domain with a reflecting boundary for graduate students, researchers in stochastic analysis and interested readers. Specific results on stochastic differential equations with reflecting boundaries such as existence and uniqueness, continuity and Markov properties, relation to partial differential equations and submartingale problems are given. An extensive list of references to current literature is included. This book has its origins in a mini-course the author gave at the University of Potsdam and at the Technical University of Berlin in Winter 2013.

Es gibt im Allgemeinen zwei Paradigmen für Entdeckungen in der Teilchenphysik: direkte und indirekte Suchen. Direkte Suchen zielen darauf ab, klare Signale für vermutete Phänomene zu finden, während indirekte Suchen nach Abweichungen zwischen theoretischen Vorhersagen und experimentellen Messungen suchen. Nach dem Nachweis des Higgs-Bosons, wodurch das Standardmodell der Teilchenphysik vervollständigt wurde, haben sich indirekte Suchen als besonders relevant erwiesen, da direkte Nachweise von Physik jenseits des Standardmodells bei aktuellen Energiebereichen unwahrscheinlich sind. Die Herausforderung besteht darin, die Präzision der theoretischen Vorhersagen zu erhöhen, um mögliche Diskrepanzen zu erkennen. Hierbei spielen Gitter-QCD Simulationen für die Berechnung nichtperturbativer hadronischer Observablen eine zentrale Rolle. Für Vorhersagen mit subprozentualer Genauigkeit sind Korrekturen durch Strahlungseffekte und Isospin-Brechung zunehmend wichtig, was durch die Simulation von QCD+QED erreicht wird. Die Einbeziehung von QED stellt neue technische Herausforderungen dar. Diese Arbeit fokussiert sich auf einen Ansatz, der QED-Probleme in endlichen Volumina löst und dabei Eichinvarianz, Lokalität und Translationssymmetrie wahrt, bekannt als QED mit C-Paritäts-Randbedingungen (QED$_C$). Es werden erste umfangreiche QCD+QED$_C$-Simulationen analysiert, darunter acht Eichfeld-Ensembles mit unterschiedlichen Werten der renormierten elektrischen Kopplung, jedoch gleicher Pionenmasse und Gitterabstand. Außerdem wird auf die Einstellung (tuning) der Eingabeparameter für Gittersimulationen eingegangen, um reale physikalische Verhältnisse zu reproduzieren, sowie eine optimierte Strategie mittels Neugewichtung (reweighting) der nackten Quarkmassen im Kontext des RHMC-Algorithmus vorgestellt und evaluiert. / Particle physics research employs two primary approaches for discoveries: direct and indirect searches. Direct searches aim to directly observe phenomena, while indirect searches seek discrepancies between theoretical predictions and experimental results. With the discovery of the Higgs boson, the standard model of particle physics was completed, shifting the focus towards indirect searches due to the lack of compelling evidence for new physics at current energy scales. These searches necessitate highly precise theoretical predictions, particularly for non-perturbative hadronic observables, which are calculated using lattice QCD simulations. The need for sub-percent precision has highlighted the importance of accounting for radiative and isospin-breaking corrections, leading to the simulation of fully dynamical QCD+QED. This thesis addresses the challenges of incorporating QED into lattice QCD, focusing on an approach that maintains gauge invariance, locality, and translational invariance using QED with C-parity boundary conditions (QED$_C$). It presents a comprehensive technical analysis of the first large-scale QCD+QED$_C$ simulations, detailing eight fully dynamical gauge field ensembles with various renormalized electric coupling values ($\alpha_\mathrm{R} \in \{0,1/137,0.04\}$), consistent pion mass ($m_\pi \approx 400$ MeV), and lattice spacing ($a\approx 0.05$ fm). The thesis examines the stability of the simulation algorithm, finite volume effects, and the behavior of different hadron masses. Furthermore, it elaborates on the tuning of input parameters for lattice simulations to replicate real-world physics accurately, focusing on the hadronic renormalization scheme used to fix bare quark masses. It introduces an optimized strategy for tuning QCD+QED parameters via mass reweighting, adapted for simulations using the RHMC algorithm, highlighting its development, implementation, and testing.

Das Thema dieser Dissertation ist die Anwendung von Variationsmethoden auf Evolutionsgleichungen parabolischen und hyperbolischen Typs. Im ersten Teil der Arbeit beschäftigen wir uns mit Reaktions-Diffusions-Systemen, die sich als Gradientensysteme schreiben lassen. Hierbei verstehen wir unter einem Gradientensystem ein Tripel bestehend aus einem Zustandsraum, einem Entropiefunktional und einer Dissipationsmetrik. Wir geben Bedingungen an, die die geodätische Konvexität des Entropiefunktionals sichern. Geodätische Konvexität ist eine wertvolle aber auch starke strukturelle Eigenschaft und schwer zu zeigen. Wir zeigen anhand zahlreicher Beispiele, darunter ein Drift-Diffusions-System, dass dennoch interessante Systeme existieren, die diese Eigenschaft besitzen. Einen weiteren Punkt dieser Arbeit stellt die Anwendung von Gamma-Konvergenz auf Gradientensysteme dar. Wir betrachten hierbei zwei Modellsysteme aus dem Bereich der Mehrskalenprobleme: Erstens, die rigorose Herleitung einer Allen-Cahn-Gleichung mit dynamischen Randbedingungen und zweitens, einer Interface-Bedingung für eine eindimensionale Diffusionsgleichung jeweils aus einem reinen Bulk-System. Im zweiten Teil der Arbeit beschäftigen wir uns mit dem sog. Weighted-Inertia-Dissipation-Energy-Prinzip für Evolutionsgleichungen. Hierbei werden Trajektorien eines Systems als (Grenzwerte von) Minimierer(n) einer parametrisierten Familie von Funktionalen charakterisiert. Dies erlaubt es, Werkzeuge aus der Theorie der Variationsrechung auf Evolutionsprobleme anzuwenden. Wir zeigen, dass Minimierer der WIDE-Funktionale gegen Lösungen des Ausgangsproblems konvergieren. Hierbei betrachten wir getrennt voneinander den Fall des beschränkten und des unbeschränkten Zeitintervalls, die jeweils mit verschiedenen Methoden behandelt werden. / This thesis deals with the application of variational methods to evolution problems governed by partial differential equations. The first part of this work is devoted to systems of reaction-diffusion equations that can be formulated as gradient systems with respect to an entropy functional and a dissipation metric. We provide methods for establishing geodesic convexity of the entropy functional by purely differential methods. Geodesic convexity is beneficial, however, it is a strong structural property of a gradient system that is rather difficult to achieve. Several examples, including a drift-diffusion system, provide a survey on the applicability of the theory. Next, we demonstrate the application of Gamma-convergence, to derive effective limit models for multiscale problems. The crucial point in this investigation is that we rely only on the gradient structure of the systems. We consider two model problems: The rigorous derivation of an Allen-Cahn system with bulk/surface coupling and of an interface condition for a one-dimensional diffusion equation. The second part of this thesis is devoted to the so-called Weighted-Inertia-Dissipation-Energy principle. The WIDE principle is a global-in-time variational principle for evolution equations either of conservative or dissipative type. It relies on the minimization of a specific parameter-dependent family of functionals (WIDE functionals) with minimizers characterizing entire trajectories of the system. We prove that minimizers of the WIDE functional converge, up to subsequences, to weak solutions of the limiting PDE when the parameter tends to zero. The interest for this perspective is that of moving the successful machinery of the Calculus of Variations.

Alle dimensionsbehafteten Gitter-QCD-Observablen muessen in Einheiten einer Referenzskala ausgedrueckt werden und die Bestimmung dieser ist haeufig der erste Schritt in der Berechnung anderer Observablen. In dieser Arbeit beschreiben wir eine scale setting-Strategie fuer eine neue Satz an Ensembles mit großem Volumen, die von CLS generiert worden sind. Die Simulationen enthalten up, down und strange O(a)-verbesserte Wilson-Fermionenfelder. Die Eichfeld-dynamik ist mit Luescher-Weisz-Wirkung implementiert. Um das freezing der Topologie bei kleinen Gitterabstaenden zu ueberwinden, wurden offene Randbedingungen in Zeitrichtung verwendet. Außerdem wurde twisted mass reweighting eingesetzt, eine Technik, um die Fermionbeitraege in der Infrarotregion zu stabilisieren und zu regularisieren. In dieser Arbeit diskutieren wir deren Auswirkungen auf mesonische Spektralgroeßen. Wir berechnen die Gitterabstaende fuer unsere vier β Werte unter Verwendung der pseudoskalaren Zerfallskonstanten, die wir aus den Simulationen mit offenen Randbedingungen extrahieren. Außerdem bestimmen wir die Observable t0 und extrapolieren sie zum Kontinuum. / In lattice computations all dimensionful observables have to be expressed in units of a reference scale and its determination is often the first step before proceeding to other quantities. In this thesis we describe the scale setting strategy for a new set of large-volume ensembles generated within the CLS effort. The simulations have been carried out including up, down and strange quark fields, discretized a là Wilson and following the O(a)-improvement program. The gauge field dynamics is implemented with the improved Luescher-Weisz action. To overcome the freezing of topology in simulations at small lattice spacings, open boundary conditions in the time direction have been adopted, together with twisted-mass reweighting, a technique to regularize and stabilize the fermionic contributions in the infrared region. In this thesis we discuss their implications on mesonic spectral quantities. We compute the lattice spacings, for our four values of β, using the pseudo-scalar decay constants, extracted in the presence of open boundary conditions. In addition to that, we determine the observable t0 and extrapolate it to the continuum.

Diese Arbeit ist ein Beitrag zur theoretischen Chemie sowie zur Oberflächenchemie. Durch Kombination von computergestützten und experimentellen Untersuchungen wird die atomare Struktur von dünnen SiO2-Filmen auf Ru(0001)-Unterlagen, von eisendotierten SiO2-Filmen auf diesen Unterlagen und von H2O-Filmen auf MgO(001)-Oberflächen bestimmt. Die atomaren Strukturmodelle wurden entweder mit dem neu entworfenen und im Paket DoDo implementierten genetischen Algorithmus oder mittels auf Sachkenntnis gestützter Vermutungen erhalten. Die simulierten Eigenschaften der so erhaltenen Strukturen stimmen sehr gut mit den experimentellen Daten (Raster-Tunnel-Mikroskopie, Infrarot-Spektroskopie) überein. Die erfolgreiche Strukturbestimmung mithilfe des DoDo-Programms zeigt, dass genetische Algorithmen zur systematischen und extensiven Erkundung der Energielandschaften 2D-periodischer Systeme geeignet sind. / This work is a contribution in the field of theoretical chemistry and surface science. The joint computational and experimental studies investigated the atomic structure of ultrathin silica and iron-doped silica films formed on the Ru(0001) surface and water films formed on the MgO(001) surface. The atomic structure models were obtained using either the educated guess approach or the genetic algorithm that was designed and implemented within the DoDo package. The properties simulated for the resulting models are in a very good agreement with the experimental data (scanning tunnelling microscopy, infrared spectroscopy). The successful structure determination using the DoDo program shows that the genetic algorithm technique is capable of systematic and extensive exploration of the energy landscapes for 2D-periodic systems.

In der vorliegenden Arbeit werden kontinuumsmechanische Probleme mit nichtmateriellen Randbedingungen untersucht. Randbedingungen gelten dabei als nichtmateriell, wenn sie im Zeitverlauf nicht ein und demselben materiellen Punkt zugeordnet werden können. Die Erweiterung der klassischen kontinuumsmechanischen Feldgleichungen um solche Randbedingungen erfolgt unter Anwendung einer Arbitrary-LAGRANGE-EULER-Kinematik. Hierbei wird eine Notation entwickelt, bei der Feldgrößen und Operatoren ihre jeweilige Platzierung eindeutig zugeordnet wird. Insbesondere in Hinblick auf eine konsistente Darstellung von Ableitungsoperatoren werden die Vorteile dieser Schreibweise dargelegt. Zur Ermittlung und Untersuchung (semi-)analytischer Lösungen dienen Beispiele eindimensionaler Kontinua, die sich zwei unterschiedlichen Problemklassen zuordnen lassen. In der ersten Problemklasse gelingen analytische Lösungen mit Hilfe eines Integrations- und eines Separationsansatzes für das Modell einer axial unbewegten, schwingenden Saite. Als nichtmaterielle Randbedingungen werden dabei die transversalen Verschiebungen an zwei zeitabhängigen Positionen zu null vorgeschrieben. In der zweiten Problemklasse sind eine Saite sowie ein Seil, die einer vorgegebenen axialen Führungsbewegung unterliegen, Gegenstand der Untersuchung. In diesem Fall sind die zwei vorgegebenen, räumlich festen Verschiebungsrandbedingungen nichtmateriell. Es finden (semi-)analytische Verfahren Anwendung. Die Relativgeschwindigkeit zwischen den Randbedingungen und dem jeweils betrachteten Kontinuum wird dabei als beliebig zeitabhängig angenommen. Eine experimentelle Studie zum Schwingungsverhalten eines Monochords mit nichtmateriellen Randbedingungen vervollständigt die Analyse eindimensionaler Kontinua. Aus den ermittelten (semi-)analytischen Lösungen werden Rückschlüsse auf das Transformationsverhalten der Bewegungsgleichungen dreidimensionaler Kontinua gezogen. Damit sind die entwickelten Methoden in vielen technischen Anwendungen einsetzbar. Als ein wirtschaftlich bedeutendes Beispiel ist die Schwingungsanalyse axial bewegter Papierbahnen in Papierproduktionsmaschinen zu nennen. / Within this work, problems of continuum mechanics with non-material boundary conditions are investigated. Boundary conditions are classified as non-material if they can not be assigned to one and only one material particle over time. The extension of the classical field-equations of continuum mechanics by such boundary conditions is realized by application of Arbitrary-LAGRANGE -E ULER -Kinematics. Therefore a notation, which assigns the particular placement to field quantities and operators, is developed. The advantages of this notation can be identified particularly with regard to a consistent representation of derivative operators. Examples of one-dimensional continua, which can be assigned to different problem categories, are used to determine and investigate (semi-)analytical solutions. In the first category, analytical solutions can be found using an integral and a separation formulation for the model of an axially non-moving, vibrating string. As non-material boundary conditions the transverse displacements at two time-dependent positions are prescribed to zero. A string and a wire, which are moved axially, are investigated within the second problem category. In this case, the prescribed, spatially fixed displacement conditions are non-material. The applied methods are (semi-)analytical. The relative velocity between the boundary conditions and the considered continuum is assumed to be arbitrary time-dependent. An experimental study on the vibration behaviour of a monochord with non-material boundary conditions completes the analysis of one-dimensional continua. Conclusions on the transformation of the equations of motion of three-dimensional continua are derived from the determined (semi-)analytical solutions. For this reason the developed methods are usable in many technical applications. The vibration analysis of axially moving paper sheets in papermaking machines can be stated as an economical important example.

A realistic description of ionization in intense laser fields is implemented into the Non-Adiabatic Quantum Molecular Dynamics (NA-QMD) formalism. First, the error of a finite basis expansion is considered and a new measure is proposed for time-dependent calculations. This is used to investigate systematically the influence of the used basis set in calculations on the hydrogen atom in intense laser fields. Second, absorbing boundary conditions in basis expansion are introduced via an imaginary potential into the effective one-particle Hamiltonian. It is shown that the used form of the absorber potential is valid in many-electron time-dependent density functional theory calculations, i.e. that only ionized states are affected by the absorbing potential. The absorber is then tested on reference calculations that exist for H and aligned H+2 in intense laser fields. Excellent agreement is found. Additionally, an approximative treatment of the missing electron-nuclear correlations is proposed. It is found in calculations on H+2 that a qualitative improvement of the description of nuclear dynamics results. The extension of the NA-QMD formalism is then used to investigate the alignment behavior of diatomic molecules. Recent experiments on H+2 and H2 are reviewed and explained. It is found that dynamic alignment, i.e. the laser induced rotation of the molecule, plays a central role. The alignment behavior of H+2 and H2 and its intensity dependence is investigated after that. A drastic difference between H+2 and H2 is found in NA-QMD as well as model calculations. Then, the focus is on an astonishing new effect that has been found in N2 calculations. This effect which is called "rotational destabilization" is studied on the model system H+2. Yet, it might be observable only in heavy dimers and might have already been found in an experiment on I2.

Ziel der Arbeit ist es, die instationären zeitlichen und räumlichen Bewegungsabläufe stark deformierbarer eindimensionaler Kontinua durch ein allgemeines mechanisch-mathematisches Modell unter Berücksichtigung ihrer Biege- und Torsionssteifigkeit zu beschreiben und zu dessen Lösung geeignete numerische Verfahren zu testen und auszuwählen. Die entwickelten Algorithmen werden auf Aufgabenstellungen aus der Raumfahrt-, Meeres- und Textiltechnik angewendet. / It is the aim of this thesis to describe the instationary motion of flexible one-dimensional continua by a general mechanical-mathematical model, when bending and torsional stiffness is not negligible, and to test and select appropriate numerical solution methods. The developed algorithms are used to solve problems from space, marine and textil engineering.

A realistic description of ionization in intense laser fields is implemented into the Non-Adiabatic Quantum Molecular Dynamics (NA-QMD) formalism. First, the error of a finite basis expansion is considered and a new measure is proposed for time-dependent calculations. This is used to investigate systematically the influence of the used basis set in calculations on the hydrogen atom in intense laser fields. Second, absorbing boundary conditions in basis expansion are introduced via an imaginary potential into the effective one-particle Hamiltonian. It is shown that the used form of the absorber potential is valid in many-electron time-dependent density functional theory calculations, i.e. that only ionized states are affected by the absorbing potential. The absorber is then tested on reference calculations that exist for H and aligned H+2 in intense laser fields. Excellent agreement is found. Additionally, an approximative treatment of the missing electron-nuclear correlations is proposed. It is found in calculations on H+2 that a qualitative improvement of the description of nuclear dynamics results. The extension of the NA-QMD formalism is then used to investigate the alignment behavior of diatomic molecules. Recent experiments on H+2 and H2 are reviewed and explained. It is found that dynamic alignment, i.e. the laser induced rotation of the molecule, plays a central role. The alignment behavior of H+2 and H2 and its intensity dependence is investigated after that. A drastic difference between H+2 and H2 is found in NA-QMD as well as model calculations. Then, the focus is on an astonishing new effect that has been found in N2 calculations. This effect which is called "rotational destabilization" is studied on the model system H+2. Yet, it might be observable only in heavy dimers and might have already been found in an experiment on I2.