There is an urgent need for an efficient technology of disinfection and sterilization in view of the alarming dimensions health care-associated infections (HAIs) have reached. Cold atmospheric pressure plasma (CAP) can be utilized for hygienic and medical purposes, in particular in surface decontamination applications, and provides a promising alternative to the conventionally used sterilization techniques. Surface Micro-Discharge (SMD) offers a technology for generating CAP that can be applied to wide areas. In the present work, I investigate the plasma chemistry involved in the inactivation of microorganisms by application of the SMD in order to optimize the antimicrobial effect. For this purpose, different strains of vegetative bacteria and bacterial endospores are exposed to the SMD with experimental parameters such as the gas composition, power input, treatment duration and humidity varied. At the same time, the concentration of ozone produced by the SMD is monitored, and its correlation with the antimicrobial efficacy is investigated. I demonstrate that the bactericidal effect of the SMD on both the Gram-negative Escherichia coli and Gram-positive Enterococcus mundtii is similar and strongly correlates with the ozone concentration. The sporicidal effect on Geobacillus stearothermophilus is crucially affected by the humidity, whereas the ozone concentration appears to have no influence. In addition, I investigate the dynamic behavior of ozone produced by the SMD by varying the geometry and the time interval for the plasma generation and by igniting the plasma in two subsequent phases with different frequencies. Possible explanations for the obtained results are provided. This work fortifies the role of SMD as an efficient sterilization method and discloses diverse possibilities for optimizing the antimicrobial effect. / Die Häufigkeit der Krankenhausinfektionen und ihre Auswirkung haben alarmierende Ausmaße angenommen. Angesichts dessen besteht ein akuter Bedarf an einer effizienten Technologie für Desinfektion und Sterilisation. Die Anwendung von kaltem atmosphärischen Plasma (englisch: cold atmospheric plasma, CAP) für die Hygiene und Medizin, insbesondere für die Oberflächendekon-tamination, stellt einen Versuch dar, eine schnelle und effektive Sterilisationstechnik zu schaffen. Die Oberflächenentladung (englisch: Surface Micro-Discharge, SMD) bietet eine Technologie für die Erzeugung und Anwendung von CAP. In der vorliegenden Arbeit analysiere ich die antimikrobiellen Eigenschaften der SMD, um die Inaktivierungsmechnismen besser zu verstehen und den antimikrobiellen Effekt zu optimieren. Hierzu werden unterschiedliche Stämme von vegetativen Bakterien und bakteriellen Endosporen unter unterschiedlichen Bedingungen, inklusive der Gaszusammensetzung, der Eingangsleistung, der Behandlungsdauer und der Luftfeuchtigkeit, dem SMD-Plasma ausgesetzt. Gleichzeitig wird die Konzentration des im SMD-Plasma erzeugten Ozons gemessen, um den Zusammenhang mit dem antimikrobiellen Effekt zu untersuchen. Ich zeige in der vorliegenden Arbeit, dass eine SMD-Behandlung auf die gramnegative Escherichia coli und den grampositiven Enterococcus mundtii eine ähnliche Wirkung erzielt. Zudem hängt die bakterizide Wirkung der SMD stark von der Ozonkonzentration ab. Die Luftfeuchtigkeit spielt eine erhebliche Rolle bei der sporiziden Wirkung der SMD auf Geobacillus stearothermophilus, wobei hier die Ozonkonzentration keine Rolle zu spielen scheint. Darüber hinaus untersuche ich die Dynamik der Konzentration des im SMD-Plasma erzeugten Ozons, indem die Geometrie und das Zeitintervall für die Erzeugung der Entladung variiert werden, und indem die Entladung in zwei aufeinander folgenden Phasen mit verschiedenen Frequenzen gezündet wird. Mögliche Erklärungen für die beobachteten Ergebnisse werden vorgeschlagen. Die vorliegende Arbeit untermauert die Rolle der SMD als eine effiziente Sterilisationstechnik und offenbart unterschiedliche Möglichkeiten für die Optimierung des antimikrobiellen Effekts der SMD. Jedoch konnte im Rahmen dieser Arbeit nicht für alle Beobachtungen eine zufriedenstellende Erklärung geliefert werden. Weiterführende Forschungsarbeiten werden daher nahegelegt.

No description available.

No description available.

No description available.

No description available.

The scientific investigation of the solid Earth's complex processes, including their interactions with the oceans and the atmosphere, is an interdisciplinary field in which seismology has one key role. Major contributions of modern seismology are (1) the development of high-resolution tomographic images of the Earth's structure and (2) the investigation of earthquake source processes. In both disciplines the challenge lies in solving a seismic inverse problem, i.e. in obtaining information about physical parameters that are not directly observable. Seismic inverse studies usually aim to find realistic models through the minimization of the misfit between observed and theoretically computed (synthetic) ground motions. In general, this approach depends on the numerical simulation of seismic waves propagating in a specified Earth model (forward problem) and the acquisition of illuminating data. While the former is routinely solved using spectral-element methods, many seismic inverse problems still suffer from the lack of information typically leading to ill-posed inverse problems with multiple solutions and trade-offs between the model parameters. Non-linearity in forward modeling and the non-convexity of misfit functions aggravate the inversion for structure and source. This situation requires an efficient exploitation of the available data. However, a careful analysis of whether individual models can be considered a reasonable approximation of the true solution (deterministic approach) or if single models should be replaced with statistical distributions of model parameters (probabilistic or Bayesian approach) is inevitable. Deterministic inversion attempts to find the model that provides the best explanation of the data, typically using iterative optimization techniques. To prevent the inversion process from being trapped in a meaningless local minimum an accurate initial low frequency model is indispensable. Regularization, e.g. in terms of smoothing or damping, is necessary to avoid artifacts from the mapping of high frequency information. However, regularization increases parameter trade-offs and is subjective to some degree, which means that resolution estimates tend to be biased. Probabilistic (or Bayesian) inversions overcome the drawbacks of the deterministic approach by using a global model search that provides unbiased measures of resolution and trade-offs. Critical aspects are computational costs, the appropriate incorporation of prior knowledge and the difficulties in interpreting and processing the results. This work studies both the deterministic and the probabilistic approach. Recent observations of rotational ground motions, that complement translational ground motion measurements from conventional seismometers, motivated the research. It is investigated if alternative seismic observables, including rotations and dynamic strain, have the potential to reduce non-uniqueness and parameter trade-offs in seismic inverse problems. In the framework of deterministic full waveform inversion a novel approach to seismic tomography is applied for the first time to (synthetic) collocated measurements of translations, rotations and strain. The concept is based on the definition of new observables combining translation and rotation, and translation and strain measurements, respectively. Studying the corresponding sensitivity kernels assesses the capability of the new observables to constrain various aspects of a three-dimensional Earth structure. These observables are generally sensitive only to small-scale near-receiver structures. It follows, for example, that knowledge of deeper Earth structure are not required in tomographic inversions for local structure based on the new observables. Also in the context of deterministic full waveform inversion a new method for the design of seismic observables with focused sensitivity to a target model parameter class, e.g. density structure, is developed. This is achieved through the optimal linear combination of fundamental observables that can be any scalar measurement extracted from seismic recordings. A series of examples illustrate that the resulting optimal observables are able to minimize inter-parameter trade-offs that result from regularization in ill-posed multi-parameter inverse problems. The inclusion of alternative and the design of optimal observables in seismic tomography also affect more general objectives in geoscience. The investigation of the history and the dynamics of tectonic plate motion benefits, for example, from the detailed knowledge of small-scale heterogeneities in the crust and the upper mantle. Optimal observables focusing on density help to independently constrain the Earth's temperature and composition and provide information on convective flow. Moreover, the presented work analyzes for the first time if the inclusion of rotational ground motion measurements enables a more detailed description of earthquake source processes. The complexities of earthquake rupture suggest a probabilistic (or Bayesian) inversion approach. The results of the synthetic study indicate that the incorporation of rotational ground motion recordings can significantly reduce the non-uniqueness in finite source inversions, provided that measurement uncertainties are similar to or below the uncertainties of translational velocity recordings. If this condition is met, the joint processing of rotational and translational ground motion provides more detailed information about earthquake dynamics, including rheological fault properties and friction law parameters. Both are critical e.g. for the reliable assessment of seismic hazards.

No description available.

Emerging from the cosmic web, galaxy clusters are the most massive gravitationally bound structures in the universe. Thought to have begun their assembly at 2 < z < 3, i.e. 10 to 11 billion years ago, clusters provide insights into the growth of large-scale structure as well as the physics that drives galaxy evolution. The redshift range 1 < z < 3 is a key epoch in their evolution. At z ∼ 1.5, elliptical galaxies start to become the dominant population in cluster cores, and star formation in spiral galaxies is being quenched. But there is also evidence for a progressive increase in the amount of star formation that occurs in galaxy cluster cores at z ≳ 1.5. To understand the dependence of the formation mechanisms of massive galaxies with environment, we must focus on clusters at relatively unexplored redshifts z > 1.5 where major assembly is in progress. The search for galaxy clusters at high redshift, so far, has been mildly successful and only a handful of clusters at z > 1.5 have been confirmed. Because this redshift range was essentially unreachable with previous instrumentation, it was dubbed a ‘redshift desert’. The work presented in this thesis has made a major contribution to this field. The Clusters Around Radio- Loud AGN (CARLA) survey, a 400 hr targeted Warm Spitzer program, observed 420 radio-loud AGN (active galactic nuclei) at 1.3 < z < 3.2 across the full sky. Extensive literature over several decades shows that powerful radio-loud AGN preferentially reside in overdense environments. From this survey, we have identified a sample of ∼ 200 galaxy cluster candidates by selecting strong overdensities of color-selected sources. By studying the luminosity function of the CARLA cluster candidates, we showed that quenching is happening much earlier in clusters around radio-loud AGN than in field galaxy samples. This suggests that our targets may well be the most massive and evolved structures known to date at z > 1.5. We also showed that radio-loud AGN reside in denser environments than similarly massive galaxies. This makes high-redshift clusters around radio-loud AGN particularly interesting as they can reveal how galaxies in the most massive dark matter halos assembled. A complementary project, HERGE (Herschel Radio Galaxy Evolution Project) observed a sample of 71 radio galaxies at 1 < z < 5 at far-IR wavelengths with the Herschel Space Observatory. Supporting data in the mid-IR, partially in the near-IR and at sub-mm wave- lengths allow to study cluster fields in more detail. A pilot project on a single field showed that we can identify cluster members and constrain their star-formation properties. These projects laid the foundation for future work, which will make a significant impact on understanding the formation of the most massive structures over several billion years.

Das Protein α-Synuklein (α-SYN) spielt eine kritische Rolle in der Pathogenese des Morbus Parkinson. So wird angenommen, dass die Aggregation dieses Proteins für die Degeneration von dopaminergen Nervenzellen des Mittelhirns und den damit verbundenen motorischen Symptomen verantwortlich ist. Während dieser pathophysiologische Zusammenhang allgemein anerkannt ist, bleibt der Einfluss von α-SYN auf nicht-motorische Systeme des Gehirns und somit auf prämotorische Symptome, wie die häufig früh im Krankheitsverlauf auftretende Riechstörung, relativ unerforscht. Der Riechkolben bildet die erste zentrale Stelle für die Verarbeitung von Geruchseindrücken und stellt eine von wenigen Gehirnregionen mit einer außergewöhnlich hohen neuronalen Plastizität dar, da er kontinuierlich mit neuen adult-geborenen Nervenzellen versorgt wird. Selbst im erwachsenen Gehirn - wenn auch in geringerer Anzahl - wandern in diese Region neuronale Vorläuferzellen aus der subventrikulären Zone (SVZ) und dem rostralen migratorischen Strom (RMS) ein, die in lokale Interneurone ausdifferenzieren und in bestehende Netzwerke integrieren. Dabei bilden neue Nervenzellen funktionelle Synapsen mit bereits vorhandenen Neuronen aus und tragen zur Riechwahrnehmung bei. Aufgrund seiner Funktion an der Synapse könnte α-SYN insbesondere einen Einfluss auf die Reifung und Integration von adult-geborenen Neuronen mit möglichen pathophysiologischen Konsequenzen für den Geruchssinn haben. Um die Plastizität im Riechkolben von transgenen α-SYN Mäusen zu untersuchen, eignet sich besonders die Zwei-Photonen-Mikroskopie, da mit dieser Technik neuronale Strukturen bis hin zu einzelnen Synapsen im intakten neuronalen Netzwerk der lebenden Tiere über mehrere Tage bis Monate verfolgt werden können. Im ersten Teil der Arbeit wurde der Riechkolben des verwendeten Mausmodells histopathologisch und funktionell untersucht. Die transgenen A30P α-SYN Mäuse wiesen pathologische α-SYN Ablagerungen in Mitralzellen auf, und zeigten Störungen in der feinen Geruchsdiskriminierung. Anschließend wurde eine Subpopulation von adult-geborenen Neuronen, dopaminerge periglomeruläre Neurone, die bekannterweise sensibel auf α-SYN reagieren, genetisch markiert. Mittels intravitaler Zwei-Photonen-Mikroskopie wurde der neuronale Umsatz, der kontinuierliche Neugewinn und Verlust an dopaminergen Nervenzellen, in A30P α-SYN und Wildtypmäusen über einen Zeitraum von 2,5 Monaten beobachtet. Dabei wurde kein Unterschied in der Anzahl an Zellen gemessen, die ihren Zielort im Riechkolben erreichen, und möglicherweise in das Netzwerk integrieren. In den transgenen α-SYN Mäusen wiesen diese Neurone jedoch eine signifikant verkürzte Überlebensspanne auf, was insgesamt in einem Nettoverlust an Neuronen in der Glomerulärzellschicht resultierte. Interessanterweise waren von dem Zelluntergang vor allem adult-geborene Neurone, die erst kürzlich ins Netzwerk integrierten, betroffen. Diese Ergebnisse zeigen, dass die frühen Schritte der neuronalen Eingliederung und Differenzierung in einen dopaminergen Phänotyp in A30P α-SYN Mäusen nicht beeinträchtigt sind, sondern vielmehr ihr längerfristiges Fortbestehen und Überleben in dem olfaktorischen Netzwerk. Möglicherweise trägt diese instabile Integration und damit gestörte Homöostase von funktionellen neuen Neuronen zu der verminderten Fähigkeit der Geruchsdiskriminierung in A30P α-SYN Mäusen bei. Um die der Riechstörung zugrunde liegenden pathophysiologischen Veränderungen weiter aufzuklären, wurde im zweiten Teil der Arbeit der Einfluss von aggregations-anfälligem A30P α-SYN auf die strukturelle und funktionelle Entwicklung von Körnerzellen, die 95% der adult-geborenen Neurone darstellen, untersucht. Während die biologischen Eigenschaften und physiologischen Mechanismen von Körnerzellen mit ihrer Rolle bei der Verarbeitung von olfaktorischen Eindrücken weitestgehend aufgeklärt sind, ist nur wenig über die synaptische Funktion und strukturelle Plastizität dieser adult-geborenen Neurone unter pathologischen Bedingungen bekannt. Deshalb wurde im Folgenden die Funktionsweise von adult-geborenen Körnerzellen an dendrodendritischen Synapsen mit stabilen Mitralzellen, die pathologisch verändertes α-SYN akkumulieren, genauer charakterisiert. Diese synaptischen Verbindungen sind von wesentlicher Bedeutung für die Geruchsdiskriminierung. Dazu wurden die gesamten dendritischen Bäume einzelner Nervenzellen mittels zeitlich kodierter lentiviraler Transduktion markiert und chronisch mikroskopiert, wobei einzelne dendritische Spines über mehrere Wochen wiederholt aufgesucht und in hoher Auflösung aufgezeichnet wurden. Adult-geborene Körnerzellen in A30P α-SYN Mäusen waren durch eine reduzierte Komplexität des Dendritenbaumes und eine erniedrigte Spineplastizität, bedingt durch einen verminderten natürlichen Zugewinn an dendritischen Spines während der kritischen Phase der Nervenzellreifung, gekennzeichnet. Dieses Spinedefizit blieb in ausgereiften und integrierten Körnerzellen bestehen. Funktionell waren die unvollständig gereiften Körnerzelldendriten durch eine signifikant verminderte elektrische Kapazität und eine gesteigerte intrinsische Erregbarkeit und Reaktionsfreudigkeit auf depolarisierende Eingangssignale gekennzeichnet, während der Spineverlust mit einer verminderten Frequenz von erregenden postsynaptischen Miniaturströmen (mEPSCs) korrelierte. Die in dieser Arbeit beschriebenen, durch A30P α-SYN vermittelten, Veränderungen der adult-geborenen Neurone wirken sich folglich störend auf die Verarbeitung von olfaktorischen Inputs aus, und könnten deshalb von pathophysiologischer Relevanz für das Verständnis von Riechstörungen in frühen Stadien des Morbus Parkinson sein. Um diesen Veränderungen therapeutisch entgegenzuwirken, wurde den transgenen Mäusen über mehrere Monate eine Substanz mit anti-aggregativen Eigenschaften verabreicht. Diese zeigte keinen therapeutischen Effekt auf das Überleben und die Spinedichte von adult-geborenen Neuronen in A30P α-SYN Mäusen. Insgesamt liefert diese Arbeit neue, fundamentale Einblicke in die A30P α-SYN-abhängige Regulation der strukturellen Plastizität als ein pathophysiologisches Korrelat für Morbus Parkinson. / The protein α-synuclein (α-SYN) plays a critical role in the pathogenesis of Parkinson disease where it is responsible for the degeneration of dopaminergic midbrain neurons and related motor symptoms. Although this function of noxious α-SYN is well recognized, its impact on non-motor circuits of the brain and associated pre-motor symptoms, such as the early olfactory deficit, remains elusive. The olfactory bulb constitutes the first central hub for the processing of odour inputs and represents one of a few brain structures with an extremely high neuronal plasticity, as it is constantly supplied with adult-born neurons. Throughout adulthood - even though in smaller numbers -, this area receives neuronal precursors from the subventricular zone (SVZ) via the rostral migratory stream (RMS) which differentiate into local interneurons and integrate into the existing networks. Thereby, new neurons establish functional synapses with pre-existent nerve cells and contribute to odour perception. Due to its function at the synapse, α-SYN could thus potentially influence the maturation and integration of adult-born neurons with a notable impact on olfactory performance in Parkinson disease. Two-photon-microscopy is a suitable tool to investigate the neuronal plasticity in the olfactory bulb of transgenic α-SYN mice, because it allows the chronic observation of neuronal structures up to the resolution of single synapses in the intact neuronal network of living mice over a period of days to months. In the first part of the present work, the olfactory bulb of the used mouse model was tested for neuropathological and functional alterations. A30P α-SYN mice showed deposition of pathologically-modified α-SYN in mitral cells, and were impaired in fine odour discrimination. Subsequently, one well-known vulnerable subpopulation of adult-born neurons, the dopaminergic periglomerular neurons, was genetically labelled. Using intravital two-photon imaging, the dynamic process of neuronal turnover, the steady gain and loss of neurons, was followed over a period of 2.5 months in transgenic A30P α-SYN and wild-type mice. The results revealed no difference in the number of cells that reach, and possibly integrate into, the glomerular layer in the olfactory bulb. However, in α-SYN transgenic mice these new neurons have a significantly shortened survival, resulting in an overall reduction in the addition of neurons to the glomerular layer over time. Of note, this neuronal loss specifically targets those cells which have been recently integrated in the network. Such data demonstrates that early stages of incorporation and differentiation into dopaminergic neurons are not affected in transgenic A30P α-SYN mice. Rather, it is their long-term consistency and survival within the olfactory bulb network which is defective. Hence, the unstable integration and impaired homeostasis of functional new neurons likely contribute to the odour discrimination deficits observed in mutant A30P α-SYN mice. To elucidate the pathological changes underlying the olfactory deficit, in the second part of the work, the influence of aggregation-prone A30P α-SYN on the structural and functional development of granule cells, which depict over 95% of all adult-born neurons, was examined. While impressive progress has been made towards interpreting the basic biology and physiological mechanisms of granule cells and their role in processing of olfactory inputs, little is known about the synaptic functions and plasticity of these adult-born neurons under pathological conditions. Thus, the impact of aggregation-prone A30P α-SYN on the functionality of dendrodendritic synapses with the stable mitral cells, which accumulate pathological α-SYN, was characterized in detail, as these connections are essential for odour discrimination. To this end, the full dendritic trees of neurons were first labelled by time-coded lentiviral transduction and then traced chronically, with single dendritic spines being re-located over several weeks and imaged at high resolution. In A30P α-SYN mice, adult-born granule cells showed a retarded development, being characterized by reduced branching of dendrites and diminished dendritic spine plasticity with reduced gain of new spines. The impairments of spines were especially evident during the critical phase of maturation and integration of new neurons into the existing bulbar circuits, and were detected as persistent trait also in mature adult-born neurons. Functionally, retarded dendrites translate into reduced capacitance with enhanced intrinsic excitability and responsiveness of granule cells to depolarizing inputs, while the loss of spines correlates with decreased frequency of mEPSCs. These A30P α-SYN-induced alterations of adult-born neurons are likely to interfere with the processing of olfactory inputs and thereby contribute towards the olfactory deficit of early Parkinson disease. To counteract these specified changes therapeutically, transgenic mice were administered a compound with anti-aggregative properties over several months. This compound showed no therapeutic effect on the survival and dendritic spine density of adult-born neurons in A30P α-SYN mice. Together, this work offers new fundamental insights into the α-SYN-dependent regulation of the structural plasticity as a pathophysiological correlate for Parkinson disease.

In dieser Promotionsarbeit präsentiere ich die erstmalige Realisierung eines Zustands negativer absoluter Temperatur für bewegliche Teilchen, sowie zusätzlich die detaillierte Untersuchung der Dynamik eines Quantenphasenübergangs. Als Grundlage für die Experimente dienten uns ultrakalte Atome in optischen Gittern, die durch den Bose-Hubbard Hamilton-Operator beschrieben werden können. Das Charakteristikum negativer Temperaturen ist eine invertierte Besetzungsverteilung, bei der Zustände hoher Energien stärker besetzt sind als niederenergetische Zustände. Daraus folgt die experimentelle Herausforderung, dass die möglichen Energien des Systems nach oben beschränkt sein müssen. Zum ersten Mal wurden negative Temperaturen in den 1950er Jahren in Bezug auf den Spinfreiheitsgrad von Atomkernen erreicht, welcher ein endliches Spektrum bildet. In dieser Arbeit stelle ich die erstmalige Realisierung von negativen Temperaturen auch für kinetische Freiheitsgrade vor. Dafür beschränkten wir die kinetische Energie auf ein einzelnes Band des Gitterpotenzials und nutzten die volle Flexibilität unseres Experiments, bestehend aus rotverstimmten Dipolfallen, blauverstimmten Gitterpotenzialen und einer Feshbach-Resonanz, um die Gesamtenergie des Systems zu limitieren. Durch die Messung der Impulsverteilung konnten wir nachweisen, dass die Atome vor allem Zustände höchster kinetischer Energie besetzen. Das Experiment ermöglicht in Zukunft unter anderem die Untersuchung von Systemen, bei denen der oberste Energiezustand besonders interessante Eigenschaften aufweist. In einem weiteren Experiment untersuchten wir das komplexe dynamische Verhalten an einem Quantenphasenübergang, das auch in der modernen Physik noch nicht vollständig verstanden ist. Quantenphasenübergänge zeichnen sich durch eine fundamentale Änderung von Grundzustandseigenschaften bei Variation eines Parameters aus; Beispiele sind das Auftreten von magnetischer Ordnung oder von Supraleitung als Funktion der Dotierung in Cupraten. In diesem Projekt untersuchten wir den Phasenübergang von Mott-Isolator zu Suprafluid, einen paradigmatischen Vertreter der Quantenphasenübergange, und dabei insbesondere, wie sich Kohärenz beim Übergang vom inkohärenten Mott-Isolator zum phasenkohärenten Suprafluid dynamisch aufbaut. Das komplexe Verhalten, das wir beobachten konnten, geht über die Vorhersagen existierender analytischer Modelle wie des Kibble-Zurek-Mechanismus' hinaus. Numerische Simulationen eindimensionaler Systeme unserer Kollegen von der FU Berlin stimmen hervorragend mit unseren experimentellen Daten überein und bestätigen unsere Messungen als zertifizierte Quantensimulation. Unsere umfangreichen Ergebnisse für unterschiedliche repulsive und attraktive Wechselwirkungen sowie Dimensionalitäten sind ein entscheidender Baustein, um in Zukunft ein tiefergehendes Verständnis des komplizierten dynamischen Verhaltens an Quantenphasenübergängen zu erreichen. / In this thesis, I present the first realization of negative absolute temperatures for mobile particles as well as a detailed study of the complex dynamics of a quantum phase transition, namely from the Mott insulator to the superfluid. The experiments are carried out with ultracold bosons loaded into an optical lattice, which can be described by the Bose-Hubbard Hamiltonian. The measurements presented in this thesis were only possible due to the extraordinary control over quantum states that can nowadays be achieved in modern ultracold atoms setups. Negative temperature states are characterized by an inverted occupation distribution, where high-energy states are populated more than low-energy states. This requires, as an experimental challenge, an upper bound on the possible energies of the system. Negative temperatures have been realized for the first time in the 1950s for the spin degree of freedom of nuclei, where the spectrum is finite. In this thesis, I present the first realization of negative temperatures for motional degrees of freedom. We limited the kinetic energy to a single band of the optical lattice potential and fully employed the tunability of our setup, including the combination of dipole potentials at blue- and red-detuned wavelengths and a Feshbach resonance, to create an upper bound on the total energy of the system. We identified the negative temperature state via its momentum distribution, which shows very strong occupation of the highest kinetic energy states. Amongst others, negative temperature states in optical lattices allow future research on systems where the highest energy state is of particular interest. In a separate set of experiments, we investigated the complex dynamical behavior when a quantum phase transition is crossed, which poses still an open and challenging question for many-body theory. Quantum phase transitions are characterized by a dramatic change of ground state properties, for example the appearance of magnetic order or superconductivity as a function of doping in cuprates. In this project, we investigated the Mott insulator to superfluid transition, a paradigmatic example of a quantum phase transition. We performed a detailed study on how coherence emerges when the quantum phase transition from the incoherent Mott insulator to the phase-coherent superfluid state is crossed and found a rich behavior beyond the scope of any existing analytical model such as the Kibble-Zurek mechanism. We obtained excellent agreement with the numerical simulations of one-dimensional systems of our collaborators, supporting that our measurements can be considered a valid quantum simulation. Our extensive results for various repulsive and attractive interactions as well as dimensionalities contribute an essential piece for a future comprehensive understanding of the intricate dynamics of quantum phase transitions.