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Die Zeitverzögerung bei der Streuung in zwei Dimensionen ist eine Funktion von zwei unabhängigen Parametern. Wenn diese Funktion Sattelpunkte aufweist, so hat der entsprechende Funktionswert theoretisch ein unendlich großes Gewicht in der Wahrscheinlichkeitsverteilung der Zeitverzögerungen. Dieser Zusammenhang soll analytisch und numerisch nachgewiesen und detailliert beschrieben werden. Insbesondere soll die klassische und quantenmechanische Wahrscheinlichkeitsverteilung der Zeitverzögerung für ein Modellsystem aus mehreren nichtüberlappenden zentralsymmetrischen Potentialen berechnet werden. Erwartete Ergebnisse sind Aussagen über die Parameterwerte, bei denen der oben genannte Effekt zu beobachten ist sowie Näherungsformeln für die Verteilung der Zeitverzögerung in der Nähe der Singularitäten. Außerdem soll die quantenmechanisch zu erwartende Glättung der Verteilungsfunktion quantitativ beschrieben werden. / For scattering problems in two dimensions, time-delay is a function of two independent parameters. If this function features saddle points, the corresponding function value should theoretically have an infinite weight in the probability distribution of time-delays. This correlation shall be confirmed analytically and numerically and studied in-depth. In particular, the classical and quantum-mechanical probability distribution of time-delays shall be calculated for a model system consisting of multiple non-overlapping potentials with rotational symmetry. We expect to obtain information about the parameter values where the aforementioned effects can be observed, and analytical approximations for the time-delay distribution near the singularities. Furthermore, the smoothing of the distribution in the quantummechanical regime shall be quantified.

In this thesis random walks similar to the Metropolis algorithm are investigated. Special emphasis is laid on different types of acceptance probabilities, namely Metropolis, Tsallis and Threshold Accepting. Equilibrium and relaxation properties as well as performance aspects in stochastic optimization are investigated. Analytical investigation of a simple system mimicking an harmonic oscillator yields that a variety of acceptance probabilities, including the abovementioned, result in an equilibrium distribution that is widely dominated by an exponential function. In the last chapter an optimal optimization schedule for the Tsallis acceptance probability for the idealized barrier is investigated. / In dieser Dissertation werden Random Walks ähnlich dem Metropolis Algorithmus untersucht. Es werden verschiedene Akzeptanzwahrscheinlichkeiten untersucht, dabei werden Metropolis, Tsallis und Threshold Accepting besonders betrachtet. Gleichgewichts- und Relaxationseigenschaften sowie Performanceaspekte im Bereich der stochastischen Optimierung werden untersucht. Die Analytische Betrachtung eines simplen, dem harmonischen Oszillator ähnlichen Systems zeigt, dass eine Reihe von Akzeptanzwahrscheinlichkeiten, eingeschlossen die oben Erwähnten, eine Gleichgewichtsverteilung ausbilden, die von einer Exponentialfunktion dominiert wird. Im letzten Kapitel wird der optimale Schedule für die Tsallis Akzeptanzwahrscheinlichkeit für eine idealisierte Barriere untersucht.

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Die Zeitverzögerung bei der Streuung in zwei Dimensionen ist eine Funktion von zwei unabhängigen Parametern. Wenn diese Funktion Sattelpunkte aufweist, so hat der entsprechende Funktionswert theoretisch ein unendlich großes Gewicht in der Wahrscheinlichkeitsverteilung der Zeitverzögerungen. Dieser Zusammenhang soll analytisch und numerisch nachgewiesen und detailliert beschrieben werden. Insbesondere soll die klassische und quantenmechanische Wahrscheinlichkeitsverteilung der Zeitverzögerung für ein Modellsystem aus mehreren nichtüberlappenden zentralsymmetrischen Potentialen berechnet werden. Erwartete Ergebnisse sind Aussagen über die Parameterwerte, bei denen der oben genannte Effekt zu beobachten ist sowie Näherungsformeln für die Verteilung der Zeitverzögerung in der Nähe der Singularitäten. Außerdem soll die quantenmechanisch zu erwartende Glättung der Verteilungsfunktion quantitativ beschrieben werden.:1 Einleitung 2 Zeitverzögerung in klassischen Streusystemen 2.1 Definition durch die Wirkung 2.2 Geometrisch motivierte Definitionen 2.2.1 Eigentliche Zeitverzögerung 2.2.2 Definition über retardierten Ort 2.2.3 Definition über Aufenthaltszeit 2.2.4 Numerische Bestimmung der Zeitverzögerung 2.3 Zeitverzögerungsfunktion und -verteilung 2.4 Rechenregeln 2.4.1 Koordinatensystemwechsel 2.4.2 Verkettung 3 Klassische Modellsysteme 3.1 Harte Scheibe 3.2 Verschobene harte Scheibe 3.2.1 Verhalten in der Umgebung von stationären Punkten 3.3 Weiches Scheibenpaar 3.3.1 Sattelpunkte 3.3.2 Extrempunkte 3.3.3 Zusammenfassung 4 Quantenmechanische Zeitverzögerung 4.1 Quantisierung der klassischen Definition 4.1.1 Definition über Aufenthaltszeit 4.1.2 Wigner-Smith-Matrix 4.1.3 Numerische Umsetzung 4.2 Einheitenlose Formulierung 4.3 Gegenüberstellung von Zeitentwicklungsmethoden 4.4 Split-Operator-Methode 4.4.1 Parameterwahl 4.4.2 Zur Abschätzung des systematischen Fehlers 4.5 Unterdrückung der periodischen Randbedingung 4.6 Harte Potentiale 5 Quantenmechanische Modellsysteme 5.1 Stationäre Punkte 5.2 Unschärfeeffekte 5.3 Numerische Ungenauigkeiten 5.3.1 Skalierungsverhalten der numerischen Methoden 5.4 Zusammenfassung der Ergebnisse 6 Zusammenfassung und Ausblick Anhang A Verhalten der Verteilung einer Funktion in der Nähe stationärer Punkte A.1 Umgebung eines Sattelpunktes A.2 Umgebung eines Extremums B Zeitverzögerung für das weiche Scheibenpaar / For scattering problems in two dimensions, time-delay is a function of two independent parameters. If this function features saddle points, the corresponding function value should theoretically have an infinite weight in the probability distribution of time-delays. This correlation shall be confirmed analytically and numerically and studied in-depth. In particular, the classical and quantum-mechanical probability distribution of time-delays shall be calculated for a model system consisting of multiple non-overlapping potentials with rotational symmetry. We expect to obtain information about the parameter values where the aforementioned effects can be observed, and analytical approximations for the time-delay distribution near the singularities. Furthermore, the smoothing of the distribution in the quantummechanical regime shall be quantified.:1 Einleitung 2 Zeitverzögerung in klassischen Streusystemen 2.1 Definition durch die Wirkung 2.2 Geometrisch motivierte Definitionen 2.2.1 Eigentliche Zeitverzögerung 2.2.2 Definition über retardierten Ort 2.2.3 Definition über Aufenthaltszeit 2.2.4 Numerische Bestimmung der Zeitverzögerung 2.3 Zeitverzögerungsfunktion und -verteilung 2.4 Rechenregeln 2.4.1 Koordinatensystemwechsel 2.4.2 Verkettung 3 Klassische Modellsysteme 3.1 Harte Scheibe 3.2 Verschobene harte Scheibe 3.2.1 Verhalten in der Umgebung von stationären Punkten 3.3 Weiches Scheibenpaar 3.3.1 Sattelpunkte 3.3.2 Extrempunkte 3.3.3 Zusammenfassung 4 Quantenmechanische Zeitverzögerung 4.1 Quantisierung der klassischen Definition 4.1.1 Definition über Aufenthaltszeit 4.1.2 Wigner-Smith-Matrix 4.1.3 Numerische Umsetzung 4.2 Einheitenlose Formulierung 4.3 Gegenüberstellung von Zeitentwicklungsmethoden 4.4 Split-Operator-Methode 4.4.1 Parameterwahl 4.4.2 Zur Abschätzung des systematischen Fehlers 4.5 Unterdrückung der periodischen Randbedingung 4.6 Harte Potentiale 5 Quantenmechanische Modellsysteme 5.1 Stationäre Punkte 5.2 Unschärfeeffekte 5.3 Numerische Ungenauigkeiten 5.3.1 Skalierungsverhalten der numerischen Methoden 5.4 Zusammenfassung der Ergebnisse 6 Zusammenfassung und Ausblick Anhang A Verhalten der Verteilung einer Funktion in der Nähe stationärer Punkte A.1 Umgebung eines Sattelpunktes A.2 Umgebung eines Extremums B Zeitverzögerung für das weiche Scheibenpaar

Getriebener Transport wechselwirkender Teilchen ist im direkten oder übertragenen Sinne von großer Bedeutung für viele Forschungsfelder. Zur Untersuchung grundlegender Fragestellungen wird auf einfache Modellsysteme zurückgegriffen, die analytische Zugänge ermöglichen und zugleich wesentliche Aspekte der Nichtgleichgewichtsdynamik in realen Applikationen erfassen. Im ersten Teil dieser Arbeit wird ein eindimensionales Gittergas mit Nächsten-Nachbar-Wechselwirkungen betrachtet, um den Einfluss von Wechselwirkungen auf den Teilchentransport in getriebenen Diffusionsprozessen zu studieren. Mit einem auf der zeitabhängigen Dichtefunktionaltheorie klassischer Fluide basierenden Verfahren werden Evolutionsgleichungen für Dichten, Korrelationsfunktionen und Ströme aufgestellt, deren numerische Lösung eine gute Beschreibung der Transportkinetik liefert. Für Sprungdynamiken, welche bestimmte Relationen erfüllen, werden exakte Strom-Dichte-Beziehungen in geschlossenen Ringsystemen hergeleitet. Hierzu zählen insbesondere die für viele Applikationen relevanten Glauber-Raten. In offenen Kanälen, die zwei Reservoire verbinden, kommt es zu Phasenübergängen der Teilchendichte im Inneren des Kanals. Anhand allgemeiner Überlegungen auf Grundlage der Extremalprinzipien bezüglich des Stroms und der Strom-Dichte-Relation im Bulk kann ein Überblick aller möglichen Phasen, ungeachtet der konkreten System-Reservoir-Kopplung, erhalten werden. Welche Phasen im randinduzierten Phasendiagramm erscheinen, wird durch die System-Reservoir-Kopplung festgelegt. Dies wird anhand zweier unterschiedlicher Randankopplungen demonstriert. Im zweiten Teil der Dissertationsschrift werden stochastische Transportvorgänge in Brownschen Pumpen und in organischen Solarzellen mit Heteroübergang modelliert. Hierbei zeigen Brownsche Pumpen Phasenübergänge in periodengemittelten Dichten und Strömen, falls Ausschlusswechselwirkungen berücksichtigt werden. Ein Minimalmodell organischer Solarzellen erlaubt Elementarprozesse an der Donator-Akzeptor-Grenzfläche abzubilden, wodurch Einblicke in das Strom- und Effizienzverhalten des photovoltaischen Systems gewonnen werden.

The origin of the Mixed Glass Former Effect (MGFE) is studied, which manifests itself in a non-monotonic behavior of the activation energy for long-range ion transport as a function of the mixing ratio of two glass formers. Two theoretical models are developed, the mixed barrier model and the network unit trap model, which consider different possible mechanisms for the occurrence of the MGFE. The mixed barrier model is based on the assumption that energy barriers are reduced for ionic jumps in regions of mixed composition. By employing percolation theory it is shown that this mechanism can successfully account for the behavior of the activation energy in various ion conducting mixed glass former glasses. The network unit trap model is based on the fact that a variety of network forming units, the so-called Q(n) species, can be associated with one glass former. Using a thermodynamic approach, the change of the concentration of these units in dependence of ionic concentration and the glass former mixing ratio is successfully predicted for alkali borate, phosphate and borophosphate glasses. In a second step, the charge distribution of the various units is considered and related to it, the binding energies to alkali ions. This gives rise to a modeling of the ionic transport in an energy landscape that changes in a defined manner with the glass former mixing ratio. Kinetic Monte Carlo simulations for alkali borophosphate glasses, which serve as a representative system for the MGFE in the literature, demonstrate that this approach succeeds to predict the behavior of the activation energy. In a further part of the thesis, Reverse Monte Carlo (RMC) simulations for the atomic structure of sodium borophosphate glasses are carried out with X-ray and neutron diffraction data as further input from experiments. Three-dimensional structures could be successfully generated that are in agreement with all experimental and theoretical constraints. Volume fractions of the ionic conduction pathways determined from these structures, however, do not show a substantial relationship to the activation energy, as earlier proposed in the iterature for alkali borate and alkali phosphate glasses.