A ring laser gyroscope (gyro) is an active laser interferometer designed to sense rotation through the Sagnac frequency shift encountered by two beams travelling in opposite directions around a closed path. The classes of devices considered in this thesis are the large and ultra-large ring laser gyros. These instruments are designed for direct measurement of earth rotation rate and find applications in geodesy, geophysics, and tests of physical theories. The research presented in this thesis focuses on the demonstration of new techniques for operating ring laser gyros. The main goal of these techniques has been the correction for variations in the geometry of an ultra-large ring laser gyro, UG-3. This instrument is a 77 m perimeter ultra-large ring laser gyro of heterolithic construction and is the primary instrument used in the experiments presented here. UG-3 has been used to demonstrate measurement of earth strains which have been used to correct for changes in the geometry of the instrument. It has also been used to demonstrate a control technique where the co-rotating beams were alternately offset allowing the number of wavelengths around the perimeter to be counted and a Sagnac rotation signal to be obtained. Among the most important outcomes of this research of interest to the large ring laser gyro community is that we now understand most of the problems that would affect a next generation ring laser gyro. This understanding allows us to choose an operational technique best suited to the measurements being made and thus maximise the scientific potential of the instrument. Additionally, the development of a new standard for data storage and an associated suite of software to acquire, query and analyse ring laser data is expected to improve collaboration with the wider research community. Other research outcomes of more general interest include the analysis of how oscillation of a single mode is established in a high finesse laser cavity. We demonstrate that the ultimate mode of operation can be selected with a ‘seed’ beam of exceptionally low intensity. An interesting related outcome is the demonstration of Sagnac beat frequency measurement during the ring down of a ring cavity, a type of measurement immune to dispersive and flow related frequency shifts.

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CAD systems are important design tools that enable the designer to conceptualize, visualize, analyze, and manufacture a design (Shahin 2008). Although high-end CAD systems provide several built-in design applications, the users of CAD often select various custom or proprietary non-CAD analyses that constrain, optimize, or evaluate their designs. An efficient method is needed to perform trade studies from within the CAD environment. Methods have been developed to meet the challenges associated with this need. The methods have been implemented in a program, called the Process Integrator, which resides in a CAD system and allows the user to perform trade studies on an assembly model from within the CAD environment. The Process Integrator allows the user to create a generic process configuration to link analyses with CAD assemblies for optimization. The generic configuration can then be run at any time, on any assembly that meets the configuration requirements. Test cases are presented in which the efficiency of the automated process is demonstrated. Results indicate that significant time savings can be achieved through the application of these methods.

Flavonoids are polyphenolics compounds that constitute a major group of plant specialized metabolites, biosynthesized via the phenylpropanoid/polymalonate pathways. The resulting specialized metabolites can be due to decoration of flavonoid compounds with sugars, usually glucose, by the action of regiospecific UDP-glycosyltransferase (UGT) enzymes. In some cases, glycosylation can involve enzymatic attachment of other sugar moieties, such as glucuronic acid, galactose, rhamnose or arabinose. These modifications facilitate or impact the bioactivity, stability, solubility, bioavailability and taste of the resulting flavonoid metabolites. The present work shows the limitations of utilizing mammalian UDP-glucuronosyltransferases (UGATs) for flavonoid glucuronidation, and then proceeds to investigate plant UG(A)T candidates from the model legume Medicago truncatula for glucuronidating brain-targeted flavonoid metabolites that have shown potential in neurological protection. We identified and characterized several UG(A)T candidates from M. truncatula which efficiently glycosylate various flavonoids compounds with different/multiple regiospecificities. Biochemical characterization identified one enzyme, UGT84F9, that efficiently glucuronidates a range of flavonoid compounds in vitro. In addition, examination of the ugt84f9 gene knock-out mutation in M. truncatula indicates that UGT84F9 is the major UG(A)T enzyme that is necessary and sufficient for attaching glucuronic acid to flavonoid aglycones, particularly flavones, in this species. Finally, the identified UG(A)T candidates were analyzed via homology modeling and site-directed mutagenesis towards increasing the repertoire of UG(A)Ts applicable for synthesis of flavonoid glucuronides with potential human health benefits in neurological protection.

Im Kapitel 2 geben wir einen Überblick über alle Evolutionären Algorithmen mit der oben beschriebenen Reproduktion und Selektion. Als Mutation haben wir einen Diffusionsprozeß angenommen. Im eigentlichen Sinne zählt die zuerst behandelte Boltzmann-Strategie nicht zu den Evolutionären Strategien, da es im engerem Sinne keine Reproduktion und Selektion gibt. Aufgrund der ähnlichen Struktur der dynamischen Gleichungen wird sie aber im erweiterten Sinne mit dazugezählt. Danach führen wir die Darwin-Strategie ein, welche ein klassisches Beispiel für eine evolutionäre Strategie ist. Eine Analyse dieser beiden Strategien hat ein gegenläufiges Verhalten beim Überwinden einer Barriere ergeben. Da dieser Fall eine Standardsituation auf Fitnesslandschaften ist, führen wir eine Mischung der Darwin- und Boltzmann-Strategie ein. Dabei entsteht die Gemischte Strategie, die sich schon in vielen Computerexperimenten bewährt hat. In den nächsten beiden Abschnitten behandeln wir die Frage nach einer Anpassung der Mutationsstärke (äquivalent mit der Schrittweite) und leiten erstmalig die Gleichung für die Veränderung der Schrittweite bei einer Darwin-Strategie her. Die Grundidee für diese adaptive Darwin-Strategiestammt von Schwefel, der sie in der Folgezeit ausgiebig untersucht hat. Ein ähnliches Problem tritt auch bei der Boltzmann-Strategie auf, die als freien Parameter für die Schrittweite eine reziproke Temperatur besitzt. Eine "Abkühlung" führt zu einem Hängenbleiben der Strategie in den lokalen Minima. Dabei setzen wir voraus, daß die Abkühlung so langsam vor sich geht, daß dabei das globale Minimum gefunden wird. Diese Strategie wird als "simulated annealing" bezeichnet. Wie wir uns denken, ist die Wahl der Abkühlung das eigentliche Problem. Rose fand einen evolutionären Ausweg aus diesem Dilemma, indem er jedem Individuum der Gemischten Strategie eine Temperatur gab, die auch der Selektion ausgesetzt wurde. Dadurch konnte die Strategie ihre Abkühlungskurve selbst finden. Im letzten Abschnitt dieses Kapitels gehen wir noch der Frage nach einer einheitlichen Darstellung der dynamischen Gleichung nach. Dabei ergibt sich eineverallgemeinerte Wärmeleitungsgleichung, die auf einem metrischen Raum definiert ist. Die Wahl der Metrik und Koeffizienten listen wir für alle Strategien auf. Die Bedeutung dieses Ergebnisses liegt in der späteren Klassi kation begründet. Den größten Teil der Arbeit bildet das Kapitel 3, welches sich mit dem Vergleich der Strategien beschäftigt. Dazu führen wir verschiedene Maße zur Messung von Geschwindigkeiten der Strategien ein. Diese Maße bestehen vorrangig aus Kombinationen der Erwartungswerte von Polynomen der Fitnessfunktion sowie deren zeitliche Ableitungen. Wir behandeln und berechnen diese Größen anhand von zwei Beispielen: der Parabel und des Doppeltopfes. Beide Fälle stellen zugleich dieeinfachsten Probleme für eine Optimierung dar. Für die Parabel ist es wichtig, daß wir die Geschwindigkeit der Strategie messen. Die einfachste Größe, die dies beschreibt, ist die zeitliche Änderung des Erwartungswerts der Fitness. Sie ist die Geschwindigkeit der Strategie auf der Fitnesslandschaft. Als weitere interessante Größe betrachten wir die Varianz der Verteilungsfunktion der Individuen auf der Fitnesslandschaft. Sie gibt Auskunft über die Variabilität der Individuen bezüglich der Fitness. Diese beiden Größen werden im Fall der Parabel für die Boltzmann- und Darwin-Strategie explizit berechnet. Dabei ergeben sich ähnliche Ergebnisse, die für diesen Fall nicht erstaunlich sind, da die Strategie immer dem Gradienten der Fitnessfunktion folgen. Das zweite Beispiel ist der Doppeltopf. Hierbei interessiert uns vor allem die Wahrscheinlichkeit, daß die Strategie von einem Topf in den anderen wechselt. Dazu starten wir im lokalen Minimum und versuchen in das globalen Minimum zu gelangen. Die Wahrscheinlichkeit dafür ist durch das Integral über die Wahrscheinlichkeitsverteilung 1 gegeben. Deren zeitliche Ableitung läßt sich als Strom von Suchern durch die Barriere interpretieren. Eine Untersuchung dieser Größen für die Boltzmann-und Darwin-Strategie erbringt das Ergebnis, daß die Boltzmann-Strategie auf achen Fitnessland-schaften schneller als die Darwin-Strategie ist. Andererseits ist die Darwin-Strategie auf stark zerklüfteten Landschaften schneller als die Boltzmann-Strategie. Das gegenläuge Verhalten beider Strategien beim Problem des Doppeltopfes legt die Idee der Mischung der Strategien nahe. Nun fragen wir uns natürlich, ob eine Mischung wirklich den gewünschten Erfolg zeigt. Im nächsten Abschnitt wird daher erneut der Doppeltopf behandelt. Dabei zeigen wir, daß die gemischte Strategie für fast alle Parametersätze das globale Minimum findet. Desweiteren werden Kriterien für die Wahl des Mischungsparameters angegeben. Im letzten Abschnitt dieses Kapitels beschreiben wir die Simulationsalgorithmen der Boltzmann- und Darwin-Strategie. Im Kapitel 4 beschäftigen wir uns mit den mathematischen Eigenschaften von Schrödinger-Operatoren. Dabei steht der Zugang über das Spektrum zusammen mit den Eigenschaften des sogenannten Wärmeleitungskerns am Anfang im Mittelpunkt des Interesses. Wir zeigen, daß die Geschwindigkeit der Strategie mit solchen Eigenschaften wie Spektraldichte im Zusammenhang steht. Andererseits ist das Spektrum auch in der Quantenmechanik anwendbar. Durch die Bestimmung der Änderung der Autokorrelationsfunktion in Bezug auf die Erwartungswerte der Fitness wird über eine Hierarchie das gesamte Spektrum aufgebaut. Eine Diskussion des Einflusses einer Deformation der Fitnessfunktion auf das Spektrum rundet diesen ersten Abschnitt ab. Gerade die Diskussion dieser Beziehung zu den Korrelationen sowie die Diskussion der Deformation der Fitnessfunktion sind neu. Der Hauptteil des Kapitels ist der Klassifikation von Schrödinger-Operatoren durch die Untersuchung der topologischen Eigenschaften des Lösungsraums gewidmet. Zuerst führen wir das Problem auf ein algebraisches Problem zurück, was gleichzeitig eine Vereinfachung der ursprünglichen Fragestellung bedeutet. Eine Charakterisierung der Äquivalenzklassen ist mit Hilfe der Singularitätstheorie möglich. Dabei treten als kleinste Einheiten der Fitnesslandschaft 6 Singularitäten auf, d.h. falls zwei Fitnesslandschaften die gleiche Zerlegung der Landschaft bezüglich der Singularitäten besitzen, so verhalten sich die Strategien ebenfalls gleich. Damit ist ein Zusammenhang zwischen der Struktur der Fitnesslandschaft und dem Verhalten der Strategien gefunden. Als weitere Anwendung dieses Ergebnisses erhalten wir eine Charakterisierung des Grundzustandes von Schrödinger-Operatoren. Aufbauend auf den mathematischen Ergebnissen des letzten Kapitels wird in Kapitel 5 die Klassifikation der Strategien durchgeführt. Dabei erhalten wir das wichtige Resultat, daß zwei Fitnesslandschaften, die lokal aus den gleichen Singularitäten (siehe Tabelle 4.5) bestehen dasselbe Verhalten der Evolutionären Strategie implizieren. Dieses Ergebnis wurde zuerst nur für die Darwin-Strategie erhalten, um es dann auch auf die anderen behandelten Strategien auszudehnen. Im letzten Kapitel der Arbeit wird noch der Frage nach derVeränderung der Mutationsverteilung nachgegangen. Bisher haben wir dafür eine Diffusionsnäherung benutzt, die aber im allgemeinen in Computerexperimenten nicht verwendet wird. Lassen wir diese Einschränkung fallen, so wechselt die Beschreibungsweise von partiellen Differentialgleichungen zu Integro-Differentialgleichungen. Eine Angabe der Lösung ist über die Methode des iterierten Kerns möglich. Am Beispiel der Gauß- bzw. Cauchy-Verteilung werden die Standardprobleme Parabel und Doppeltopf studiert. Die Ergebnisse erbrachten für die Gauß-Verteilung ein ähnliches Ergebnis wie für die Diffusionsnäherung. Dagegen sind die Eigenschaften der Lösung für die Cauchy-Verteilung im Falle des Doppeltopfes von denen der Gauß-Verteilung verschieden. Eine Darstellung der einheitlichen Beschreibung dieser Strategien sowie ein Ansatz zur Klassifikation beenden das letzte Kapitel. Am Schluß der Arbeit befinden sich 4 Anhänge, welche die umfangreichen Rechnungen und Formeln enthalten. Im Anhang A berechnen wir eine wichtige Invariante von Fitnesslandschaften, die über den Einfluß von Zwangsbedingungen auf die Optimierung die Aussagen treffen. Danach analysieren wir im Anhang B die Gegenwertprobleme der Boltzmann- und Darwin-Strategie, um eine alternative Möglichkeit zu den Berechnungen des Kapitels 3 zu erhalten. Der Anhang C ist der vollständigen Berechnung des Stromes für den Fall eines stückweise quadratischen Doppeltopfes gewidmet. Im Anhang D schließlich ist eine Zusammenstellung der Formeln für die Gemischte Strategie am Beispiel der Parabel und des Doppeltopfs zu finden.

This thesis is devoted to ultrasound investigations of a family of rare-earth compounds known as spin ice. The crystal structure of these compounds is composed of tetrahedral units with magnetic ions in each corners. In the ground state of these materials, two spins are directed inward on each tetrahedron and two spins outward. There are a number of features that are common to the spin-ice materials Ho2Ti2O7 (HTO), Yb2Ti2O7 (YbTO), and Dy2Ti2O7 (DTO). In DTO, nonequilibrium processes have been probed by ultrasound waves at low temperatures. The sound velocity and sound attenuation exhibit a number of unusual anomalies as a function of applied magnetic field for temperatures below the freezing temperature of 500 mK. These robust anomalies can be seen for longitudinal and transverse acoustic modes for different field directions. The anomalies show broad hystereses. Most notable are peaks in the sound velocity, which exhibit two distinct regimes: an intrinsic (extrinsic) regime in which the data collapse for different sweep rates when plotted as function of field strength (time). Moreover, these quasi-periodic peaks are strongly affected by thermalcoupling conditions. We discuss our observations in context of emergent quasiparticles (magnetic monopoles) which govern the low-temperature dynamics of spin ice. I have studied spin-lattice and single-ion effects in the spin-ice materials (DTO) and (HTO) in a wide range of temperatures and magnetic fields. The sound velocity and sound attenuation of various acoustic modes experience a renormalization due to phase transformations as well as interactions with lowenergy magnetic excitations (topological defects). In particular, a sharp dip observed in the sound attenuation has been explained within the framework of the spin-ice model. In addition, crystal-electric-field effects lead to a renormalization of the sound velocity and sound attenuation at very high magnetic fields. We analyze our observations using an approach based on exchange-striction couplings and single-ion-type interactions. Experiments on YbTO revealed evidence of a first-order transition known as a transition from a magnetic Coulomb liquid (MCL) to Coulomb ferromagnet state at T = 0.15 K. Coupling of the sound waves to quantum fluctuations cause a sharp anomaly in the sound velocity and sound attenuation. An increase of the quantum-fluctuation frequency when lowering the temperature down to the phase transition, leads to a minimum in the sound velocity and a maximum in the sound attenuation. This behavior can be explained in frame of resonating sound waves in presence of quantum fluctuations. Below the transition temperature, the quantum fluctuation effects are less pronounced. Measurements in applied magnetic fields, revealed a transition from a fluctuating Coulomb-ferromagnet state to a state with suppressed fluctuations. The experimental data presented in this thesis, show the important role of spin-strain interactions in spin-ice materials. In addition, theoretical considerations based on exchange-striction couplings and single-ion strain interaction, strongly support most of the experimental results.

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Informationsthermodynamik ist der aktuelle Trend in der statistischen Physik. Es ist die theoretische Konstruktion eines einheitlichen Rahmens für die Beschreibung der Nichtgleichgewichtsmerkmale stochastischer dynamischer Systeme, wie die Dissipation der Arbeit und die Irreversibilität von Trajektorien, unter Verwendung der Sprache der Fluktuationstheoreme und der Informationstheorie. Die modellunabhängige Natur von Information und Irreversibilität ermöglicht eine breite Anwendbarkeit der Theorie auf allgemeinere (nichtphysikalische) Modelle aus der Systembiologie und der quantitativen Finanzmathematik, in denen asymmetrische Wechselwirkungen und Nichtlinearitäten allgegenwärtig sind. Insbesondere interessieren wir uns für Zeitreihe, die aus Messungen gewonnen werden oder aus einer Zeitdiskretisierung kontinuierlicher Modelle resultieren. In dieser Arbeit untersuchen wir die Irreversibilität von Zeitreihen unter Berücksichtigung der statistischen Eigenschaften ihrer Zeitumkehrung, und leiten daraus ein Fluktuationstheorem ab, das für Signal-Antwort-Modelle gilt, und das Irreversibilität sowie bedingte Informationen mit der Vergangenheit verknüpft. Interagierende Systeme tauschen kontinuierlich Informationen aus und beeinflussen sich gegenseitig. Intuitiv ist der kausale Einfluss der Effekt dieser Wechselwirkungen, der im Hinblick auf den Informationsfluss über die Zeit beobachtet werden kann, aber seine quantitative Definition wird in der Fachgemeinschaft immer noch diskutiert. Wir wenden insbesondere das Schema der partiellen Informationszerlegung (PID) an, das kürzlich definiert wurde, um synergistische und redundante Effekte aus informationstheoretischen Maßen zu entfernen. Hier schlagen wir unsere PID vor und diskutieren die resultierende Definition des kausalen Einflusses für den Sonderfall linearer Signal-Antwort-Modelle. / Information thermodynamics is the current trend in statistical physics. It is the theoretical research of a unified framework for the description of nonequilibrium features of stochastic dynamical systems like work dissipation and the irreversibility of trajectories, using the language of fluctuation theorems and information theory. The model-independent nature of information and irreversibility allows a wide applicability of the theory to more general (nonphysical) models from systems biology and quantitative finance, where asymmetric interactions and nonlinearities are ubiquitous. In particular, we are interested in time series obtained from measurements or resulting from a time discretization of continuous models. In this thesis we study the irreversibility of time series considering the statistical properties of their time-reversal, and we derive a fluctuation theorem that holds for time series of signal-response models, and that links irreversibility and conditional information towards past. Interacting systems continuously share information while influencing each other dynamics. Intuitively, the causal influence is the effect of those interactions observed in terms of information flow over time, but its quantitative definition is still under debate in the community. In particular, we adopt the scheme of partial information decomposition (PID), that was recently defined in the attempt to remove synergistic and redundant effects from information-theoretic measures. Here we propose our PID, and motivate the resulting definition of causal influence for the special case of linear signal-response models. The thermodynamic role of causal influences can only be discussed for time series of linear signal-response models in the continuous limit, and its generalization to general time series remains in our opinion the open problem in information thermodynamics.

Die Modernisierung der Europäischen Bildungsstrukturen stellt ein zentrales Anliegen des mittlerweile 40 Staaten umfassenden Bologna-Prozesses und der von den europäischen Staats- und Regierungschefs in Lissabon formulierten Strategie dar. Ziel ist es, bis zum Jahre 2010 einen europäischen Hochschulraum zu schaffen und die Mobilität der Studierenden zu verbessern. Dies soll nicht zuletzt durch die Schaffung eines zweigliedrigen Studiums und einheitlicher akademischer Abschlüsse - dem Bakkalaureus und dem darauf aufbauenden Master - innerhalb Europas erreicht werden. Im Zuge der aktuellen Debatte drängt sich jedoch die Frage nach der Rechtsverbindlichkeit der hochschulpolitischen Erklärungen des Bologna- Prozesses sowie der im Rahmen der Lissabon-Strategie erlassenen Akte auf. Nach der hier vertretenen Ansicht handelt es sich dabei lediglich um unverbindliche politische Erklärungen. Daher wird in einem zweiten Schritt geprüft, ob die Europäische Gemeinschaft aufgrund der Verträge zu einer umfassenden Harmonisierung der europäischen Bildungsstrukturen überhaupt ermächtigt wäre. Der Fokus liegt dabei auf Inhalt, Reichweite und Grenzen der Binnenmarktvorschriften und der Bestimmungen über den Bildungsbereich. Besonderes Augenmerk gilt in diesem Zusammenhang den bislang von der Gemeinschaft erlassenen Maßnahmen zur Verbesserung der beruflichen Anerkennung von Diplomen und Zeugnissen innerhalb der EU. Abschließend werden die freiwillige Umsetzung der Bologna-Vorgaben in der österreichischen, aber auch in anderen europäischen Rechtsordnungen beleuchtet und konkrete Optionen für die Umgestaltung der Hochschulstrukturen, insbesondere für die derzeit an der Wirtschaftsuniversität Wien angebotenen Studien aufgezeigt. (Autorenref.) / Series: EI Working Papers / Europainstitut