The main subject of this thesis is to examine thermo-osmotic flows, which occur on interfaces of non-uniform temperature. Such thermo-osmotic flows are purely non-thermal equilibrium phenomena. Along the non-isothermal interface, specific interaction of a liquid and its solutes with a boundary vary in strength across the interface, according to the local temperature. This boundary can be a solid, a membrane or a phase boundary. The flow is thereby continuously pumping fluid across the interface in direction of the local temperature gradient, resulting in an extended flow pattern in the bulk due to mass conservation. In a system containing particles and heat sources in a liquid under spatial confinement, the thermo-osmotic flow may drive particles in a directed manner, or can lead to collective phenomena. To approach this broad topic of (self-)thermophoresis and collective motion of active particles and quantify the role of the thermo-osmotic flow upon the latter effects, different experiments have been performed: The first experiments aim to quantify the thermo-osmotic flow at a non-isothermal liquid/solid interface for two fundamentally different substrate properties. Further, the bulk flow was investigated for two different systems. The form and spatial extension of this bulk flow pattern depends sensitively on the form of the container and the interface, as well as on the thermo-osmotic flow. The first system is a liquid film confined between two planar glass cover slips. The second case is a Janus particle immobilized on one of the glass slips. In the first case, the non-uniform temperature profile is generated by optical heating of a nanometer sized gold colloid, and in the second case, the heat source is the Janus particle. The bulk flow pattern consists, for the second case, of the flow pattern created by the glass cover slips and the one created by the Janus particle. The following experiments are focusing on the dynamics of mobile self-thermophoretic Janus particles. In particular, their dynamics and the contributions of the thermo-osmotic flow to the interaction of multiple active particles are investigated. To investigate those particles under controlled conditions and examine their interactions at low concentrations for an effectively unlimited amount of time, a real-time feedback algorithm was co-developed to gain control of the motion of multiple active particles simultaneously, called ”photon nudging”. With the help of this method, first experiments have been performed to quantify the dynamics of a Janus particle located close to a heat source.

There are several different algorithms available to perform a synchronization of multiple processors. Some of them support only shared memory architectures or very fine grained supercomputers. This work gives an overview about all currently known algorithms which are suitable for distributed shared memory architectures and message passing based computer systems (loosely coupled or coarse grained supercomputers). No absolute decision can be made for choosing a barrier algorithm for a machine. Several architectural aspects have to be taken into account. The overview about known barrier algorithms given in this work is mostly targeted to implementors of libraries supporting collective communication (such as MPI).

The performance of collective communication operations is one of the deciding factors in the overall performance of a MPI application. Open MPI's component architecture offers an easy way to implement new algorithms for collective operations, but current implementations use the point-to-point components to access the InfiniBand network. Therefore it is tried to improve the performance of a collective component by accessing the InfiniBand network directly. This should avoid overhead and make it possible to tune the algorithms to this specific network. The first part of this work gives a short overview of the InfiniBand Architecture and Open MPI. In the next part several models for parallel computation are analyzed. Afterwards various algorithms for the MPI_Scatter, MPI_Gather and MPI_Allgather operations are presented. The theoretical performance of the algorithms is analyzed with the LogfP and LogGP models. Selected algorithms are implemented as part of an Open MPI collective component. Finally the performance of different algorithms and different MPI implementations is compared. The test results show, that the performance of the operations could be improved for several message and communicator size ranges.

Complex systems can often be modelled as networks, in which their basic units are represented by abstract nodes and the interactions among them by abstract links. This network of interactions is the key to understanding emergent collective phenomena in such systems. In most cases, it is an adaptive network, which is defined by a feedback loop between the local dynamics of the individual units and the dynamical changes of the network structure itself. This feedback loop gives rise to many novel phenomena. Adaptive networks are a promising concept for the investigation of collective phenomena in different systems. However, they also present a challenge to existing modelling approaches and analytical descriptions due to the tight coupling between local and topological degrees of freedom. In this thesis, I present a simple rule-based framework for the investigation of adaptive networks, using which a wide range of collective phenomena can be modelled and analysed from a common perspective. In this framework, a microscopic model is defined by the local interaction rules of small network motifs, which can be implemented in stochastic simulations straightforwardly. Moreover, an approximate emergent-level description in terms of macroscopic variables can be derived from the microscopic rules, which we use to analyse the system\'s collective and long-term behaviour by applying tools from dynamical systems theory. We discuss three adaptive-network models for different collective phenomena within our common framework. First, we propose a novel approach to collective motion in insect swarms, in which we consider the insects\' adaptive interaction network instead of explicitly tracking their positions and velocities. We capture the experimentally observed onset of collective motion qualitatively in terms of a bifurcation in this non-spatial model. We find that three-body interactions are an essential ingredient for collective motion to emerge. Moreover, we show what minimal microscopic interaction rules determine whether the transition to collective motion is continuous or discontinuous. Second, we consider a model of opinion formation in groups of individuals, where we focus on the effect of directed links in adaptive networks. Extending the adaptive voter model to directed networks, we find a novel fragmentation mechanism, by which the network breaks into distinct components of opposing agents. This fragmentation is mediated by the formation of self-stabilizing structures in the network, which do not occur in the undirected case. We find that they are related to degree correlations stemming from the interplay of link directionality and adaptive topological change. Third, we discuss a model for the evolution of cooperation among self-interested agents, in which the adaptive nature of their interaction network gives rise to a novel dynamical mechanism promoting cooperation. We show that even full cooperation can be achieved asymptotically if the networks\' adaptive response to the agents\' dynamics is sufficiently fast.

Kollektive Migration und Schwarmverhalten sind Beispiele für Selbstorganisation und können in verschiedenen biologischen Systemen beobachtet werden, beispielsweise in Vogel-und Fischschwärmen oder Bakterienpopulationen. Im Zentrum dieser Arbeit steht ein räumlich diskretes und zeitlich stetiges Model, welches das kollektive Migrieren von Individuen mittels eines stochastischen Vielteilchensystems (VTS) beschreibt und analysierbar macht. Das konstruierte Modell ist in keiner Klasse gut untersuchter Vielteilchensysteme enthalten, sodass der größte Teil der Arbeit der Entwicklung von Methoden zur Untersuchung des Langzeitverhaltens bestimmter VTS gewidmet ist. Eine entscheidende Rolle spielen hier Gibbs-Maße, die zu zeitlich invarianten Maßen in Beziehung gesetzt werden. Durch eine Simulationsstudie und die Analyse des Einflusses der Parameter Migrationsgeschwindigkeit, Sensitivität der Individuen und (räumliche) Dichte der Anfangsverteilung können Eigenschaften kollektiver Migration erklärt und Hypothesen für weitere Analysen aufgestellt werden. / Collective migration and swarming behavior are examples of self-organization and can be observed in various biological systems, such as in flocks of birds, schools of fish or populations of bacteria. In the center of this thesis lies a stochastic interacting particle system (IPS), which is a spatially discrete model with a continuous time scale that describes collective migration and which can be treated using analytical methods. The constructed model is not contained in any class of well-understood IPS’s. The largest part of this work is used to develop methods that can be used to study the long-term behavior of certain IPS’s. Thereby Gibbs-Measures play an important role and are related to temporally invariant measures. One can explain the properties of collective migration and propose a hypothesis for further analyses by a simulation study and by analysing the parameters migration velocity, sensitivity of individuals and (spatial) density of the initial distribution.

Active matter describes systems that convert energy from their environment into directed motion. Therefore, these systems are in intrinsic nonequilibrium, unlike their passive counterparts. From a theoretical point of view, such active systems have been modeled by agent-based models, as well as hydrodynamic approaches, which allowed for the investigation of a wide range of observed collective phenomena characterizing active matter. In this thesis we develop a microscopic field-theoretical approach to describe generic properties of active systems. This description combines the phase field crystal model with a polar order parameter and a self-propulsion term. First, we validate this approach by reproducing results obtained with corresponding agent-based models, such as binary collisions, collective migration and vortex formation. We also perform a direct comparison between our model and a microscopic phase field description of active matter. Next, we use this continuum approach to simulate some larger active systems and to analyze the coarsening process in active crystals, as well as the mechanisms leading to mobile clusters. We show the generality of our approach by extending it to binary mixtures of interacting active and passive particles. Also in this case, we first validate the model by reproducing known results, such as enhanced crystallization via active doping and the suppression of collective migration in an active bath in the presence of fixed obstacles. Interestingly, for the regime of mobile passive particles in an active bath a laning state is found, which is characterized by an alignment of the active particles that is globally nematic, but polar within each lane. This state represents a theoretical prediction feasible to be validated experimentally. Finally, we explore the field of topological active matter. We develop an agent-based model to describe self-propelled particles on curved surfaces and study the complex spatiotemporal patterns that emerge. / Aktive Materie beschreibt Systeme, die Energie aus ihrer Umgebung in gerichtete bewegung umwandeln. Im Gegensatz zur passiven Materie befinden sich diese Systeme nie im physikalischen Gleichgewicht und offenbaren dadurch interessante physikalische Phänomene. Vom theoretischen Standpunkt her wurde aktive Materie bereits simuliert, typischerweise durch agenten-basierte Modelle oder hydrodynamische Ansätze, die es ermöglichen eine Vielzahl der auftretenden kollektiven Bewegungsprinzipien zu untersuchen. In dieser Doktorarbeit entwickeln wir einen mikroskopischen Kontinuumsansatz um die generischen Eigenschaften von aktiven Systemen zu untersuchen. Unsere Beschreibung kombiniert das Phasenfeld-Kristall Modell mit einem polaren Ordnungsparameter und einem Antriebsterm. Zuerst validieren wir den Ansatz durch Reproduktion bekannter Ergebnisse agenten-basierter Modelle, wie binäre Kollisionen, kollektive Bewegung und Wirbelformationen. Des Weiteren führen wir einen direkten Vergleich zwischen unserem Modell und einer mikroskopischen Phasenfeldbeschreibung aktiver Materie durch. Danach nutzen wir den kontinuierlichen Ansatz um große aktive Systeme zu simulieren und analysieren den Vergröberungsprozess in aktiven Kristallen und Mechanismen der mobilen Aggregatbildung. Wir illustrieren die Allgemeingültigkeit unseres Simulationsansatzes durch die Erweiterung auf binäre Systeme, in denen sowohl aktive als auch passive Partikel enthalten sind. Auch in diesem Fall validieren wir das Modell durch Vergleiche mit bekannten Resultaten, wie zum Beispiel die verstärkte Kristallisation durch aktives Doping oder die Unterdrückung kollektiver Bewegung durch die Einführung von Hindernissen in einem aktiven Bad. Interessanterweise finden wir bei der Präsenz mobiler passiver Partikel in einem aktiven Bad einen Fahrspur-Zustand, in welchem die aktiven Partikel nematische Fahrspuren bilden und sich nur jeweils innerhalb einer Fahrspur nematisch polar anordnen. Dieser bisher unbekannte Zustand stellt eine theoretische Vorhersage dar, die experimentell geprüft werden kann. Schließlich begeben wir uns auf das Gebiet der topologischen aktiven Materie. Wir entwickeln ein agenten-basiertes Modell um selbst-angetriebene Partikel auf gekrümmten Oberflächen zu beschreiben und untersuchen die dabei auftretenden zeitlich und räumlich komplexen Muster.%, die dabei auftreten.

In den letzten Jahren gab es Fortschritte im Verständnis der Gefäßbildung bei Ereignissen wie Keimen, Lumenbildung und Gefäßstabilisierung. Nach der Bildung eines primitiven Plexus ist die Gefäßoptimierung und hierarchische Umwandlung der morphologischen Gefäße in einen reifen Plexus durch vaskuläres "Pruning" wenig verstanden. Unterschiedliche Blutflussprofile in nebeneinander angeordneten Gefäßen können Asymmetrien in der Scherspannung verursachen, was die Zellmigration in Bereichen mit höherem Fluss fördert und die Destabilisierung von Segmenten mit geringem Fluss induziert. Diese Studie basiert auf der Hypothese, dass funktionelle Gefäßnetzwerke und Umbildung durch flussgesteuerte Endothelzellmigration ausgelöst werden. Wie die zelluläre Erfassung physikalischer Kräfte integriert ist, um Informationen zu übertragen und das Verhalten von Zellen zu modifizieren, ist noch unbekannt. Die Studie untersucht die Regulation und Koordination durch RhoGTPase-Signale während der kollektiven endothelialen Migration aufgrund von Flüssigkeitskräften. RhoGTPasen ermöglichen die räumlich-zeitliche Koordination, langfristige Anpassung an den Fluss und morphologische Umgestaltung. Beeinträchtigungen von RhoGTPasen zeigen Defekte bei Zellmigration und kollektiver Koordination in Umgebungen mit freiem Rand und strömungsgetriebener Migration. Die Studie erläutert den Einfluss der RhoGTPase-Regulation der Verbindungsdynamik in Verbindung mit der Aktinorganisation, die für die mechanische Kopplung und endotheliale Reaktionsfähigkeit erforderlich ist. Insgesamt betont die Studie die Relevanz der räumlich-zeitlichen RhoGTPase-Kontrolle und der Aufrechterhaltung der mechanischen Kopplung zwischen Strömung und Migration für die kollektive Koordination als Reaktion auf hämodynamische Kräfte. / In recent years, there have been significant advances in understanding how new vessels form during events like sprouting, lumen formation, and vessel stabilization. Yet, after the formation of a basic network, the crucial step of rearranging vessels into a mature structure, known as vascular pruning, needs further investigation. It's suggested that different blood flow profiles in nearby vessels create imbalances in shear stress, leading to cell migration toward higher flow regions, destabilizing low-flow segments, and causing the collapse of redundant segments. This study, in line with existing literature, proposes that functional vascular networks and remodeling result from the flow-driven migration of endothelial cells. However, how cells precisely sense physical forces to regulate their behavior and coordinate migration in response to flow remains unknown. I explore the regulation and coordination of Rho GTPases during collective endothelial migration under fluid forces. Rho GTPases' coordination allows long-term adaptation to flow and morphological remodeling. Impairments in Rho GTPases reveal defects in cell migration and collective coordination during free-edge and flow-driven migration. Finally, I explain how Rho GTPases' regulation influences junctional dynamics and actin organization, crucial for mechanical coupling and endothelial responsiveness to flow. Overall, this study emphasizes the importance of controlling Rho GTPases over time and maintaining mechanical coupling between flow and migration for collective coordination in response to fluid forces.

Ägypten hat durch kollektive Bewässerungsmaßnahmen, insbesondere durch gemeinsame Pumpstationen (SPS), die Wasserbewirtschaftung für Landwirte gefördert. Diese Dissertation untersucht kollektive Handlungsprobleme bei SPS in Ägypten, fokussiert auf (i) Bedingungen für eine funktionierende SPS, (ii) wie physische und institutionelle Eigenschaften der SPS zu ungleicher Wasserverteilung beitragen, und (iii) wie soziale Gemeinschaftsmerkmale und SPS-Regeln die Bewältigung von Wasserknappheit beeinflussen. Mit Fuzzy Set Qualitative Comparative Analysis (fsQCA), Crisp Set Qualitative Comparative Analysis (csQCA) und einer vergleichenden Fallanalyse werden Daten von 45 SPS im Nildelta analysiert. Die fsQCA zeigt drei Wege für funktionierende SPS: (1) klare Regeln für Allokation, Überwachung und Sanktionen; (2) kleine Gruppen bei großen Bewässerungsflächen; oder (3) ausreichende Wasserzufuhr und passende Lage des SPS-Einzugsgebiets. Die csQCA zeigt zwei Wege zu asymmetrischer Wasserverteilung: das Vorhandensein sowohl alternativer Wasserquellen als auch individueller Pumpmaschinen in Verbindung mit unzureichender Durchsetzung der Regeln; oder das Vorliegen einer räumlichen Wasserverteilung, unzureichender Regelumsetzung und mangelhafter Bereitstellungsregeln. Abschließend zeigt die fallbezogene Analyse, dass kleine Gruppen, positive Erfahrungen und gleichmäßiger Zugang zu Wasserquellen das Teilen von Wasserknappheit fördern, während große Gruppen, negative Erfahrungen und ungleicher Zugang die Bewältigung behindern. Diese Dissertation erweitert das Verständnis für das Zusammenspiel physischer, sozialer und institutioneller SPS-Merkmale in kollektiven Bewässerungssystemen, indem kausale Zusammenhänge beleuchtet und Konfigurationen identifiziert werden, die SPS-Ergebnisse beeinflussen. / Egypt has worked to enhance irrigation management through collective action initiatives, notably by establishing shared pumping stations (SPSs) to aid farmers in water management. This thesis investigates collective action challenges facing SPSs in Egypt, focusing on (i) conditions that enable effective SPS function, (ii) how the physical and institutional characteristics of SPSs contribute to asymmetric water distribution among farmers, and (iii) how community social attributes and the institutional rules of the SPS shape the outcome of sharing or not sharing water shortage. Using Fuzzy Set Qualitative Comparative Analysis (fsQCA), Crisp Set Qualitative Comparative Analysis (csQCA), and within-case comparative analysis, this research draws on empirical data from 45 SPSs in Egypt’s Nile Delta. The fsQCA findings reveal three pathways for successful SPS operation: (1) effective rules for allocation, monitoring, and sanctions; (2) small group size combined with large irrigated areas; or (3) adequate water supply and appropriate location of the SPS command area. The csQCA analysis indicates two paths leading to asymmetric water distribution: the existence of both alternative water sources and individual-pumping machines coupled with inadequate rule enforcement; or the existence of spatial variability of water, inadequate rules enforcement, and inadequate provisioning rules. Finally, within-case analysis shows that small groups, positive past experiences, and uniform access to water sources enhance sharing water shortage. Conversely, large groups, negative past experiences, and unequal access to water sources hinder sharing water shortage. This thesis deepens understanding of the interplay between physical, social, and institutional SPS attributes in promoting or hindering collective action by elucidating causal complexities in common-pool resource systems and identifying key configurations that influence SPS outcomes.

In Feldstudien konnte häufig mittels der Low–Cost Hypothese gezeigt werden, dass normatives Verhalten von den dafür aufzuwendenden Kosten abhängt. Doch hängt die Durchsetzung einer Norm ebenfalls von der Höhe der Kosten ab? Die Gültigkeit der Low – Cost Hypothese bei diesen kollektiven Gütern zweiter Ordnung ist bislang im Feld wenig erforscht. In unserer Studie wird die Durchsetzung sozialer Normen anhand nachbarschaftlicher Kontrollen analysiert. Es werden Daten einer postalischen Befragung von 631 Personen in Leipzig aus dem Jahr 2001 ausgewertet: Der Zusammenhang zwischen der Befürwortung sozialer Kontrollen und der Bereitschaft, soziale Kontrollen tatsächlich an sich zu erdulden, wird mit steigenden Kosten der zu erduldenden Kontrollhandlungen schwächer. Zudem lässt sich die Logik der Low – Cost Hypothese auf andere soziologische Konstrukte übertragen: Die Wirkung von Kriminalitätsfurcht und Autoritarismus ist umso weniger handlungsrelevant, je höher die Kosten der zu erduldenden Kontrollhandlungen sind. Diese Befunde demonstrieren die Gültigkeit der Low–Cost Hypothese im Zusammenhang mit kollektiven Gütern zweiter Ordnung. / In field studies, there is evidence that the occurrence of normative behaviour is dependent on its costs. This effect is known as the low cost hypothesis. However, is the enforcement of social norms as well dependent on its costs? So far, there has been little research on the validity of the low – cost hypothesis for so called second order collective goods. In our work, the enforcement of social norms is studied by means of analyzing social control in neighbourhoods. We use data of a mail survey conducted in 2001 in Leipzig, Germany, with 631 respondents: Correlations between approval of social control and willingness to tolerate social control personally decrease with increasing costs to tolerate these control activities. Additionally, the logic of low – cost is transferable to other sociological constructs: The effect of fear of crime and authoritarianism is the less relevant for tolerating social control activities, the higher the costs for these control activities. These empirical findings confirm the low cost hypothesis for the production of second order collective goods.

Im Rahmen dieser Dissertation wird die Stärke der Multibunch-Instabilität (MBI), die von longitudinalen Dipol-, transversalen Dipol- und Quadrupolschwingungsmoden höherer Ordnung getrieben werden mithilfe von analytischen Rechnungen und Trackingsimulationen in dem Ausbauprojekt BESSY Variable Pulse Length Storage Ring (BESSY VSR) des Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH (HZB) untersucht und mit dem vorhanden aktiven Dämpfungssystem verglichen. Algorithmen für Trackingsimulationen werden hergeleitet und eine halbempirische Formel zur Abschätzung der transversalen quadrupolaren MBI wird präsentiert. MBI Studien bilden einen wesentlichen Teil der Beurteilung der BESSY VSR Hohlraumresonatoren und begleiteten und beeinflussten ihren Entwicklungsprozess. Mit Berechnungen auf Grundlage des neusten BESSY VSR Hohlraumresonatormodels kann Strahlstabilität als wahrscheinlich und unabhängig vom Füllmuster angesehen werden. Des weiteren wurden Messungen der MBI an BESSY II und der Metrology Light Source (MLS) der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt durchgeführt, bei welcher die longitudinale langreichende Impedanz charakterisiert wurde. Transiente Strahllast wird in dieser Arbeit mit analytischen Formeln und neuen, experimentell überprüften Trackingsimulationen berechnet. Für das Standardfüllmuster von BESSY VSR wurde gezeigt, dass die besondere Konfiguration der Hohlraumresonatorfrequenzen zu einer relativ starken Beeinflussung der langen Elektronenpakete führt. Diese verkürzt das Elektronenpaket und vergrößert die Touschekverluste. / In the scope of this thesis, the strength of coupled bunch instabilities (CBIs) driven by longitudinal monopole higher order modes (HOMs) and transverse dipole and quadrupole HOMs is evaluated for the upgrade project BESSY Variable Pulse Length Storage Ring (BESSY VSR) at Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH (HZB), based on analytic calculations and tracking simulations, and compared to the performance of an active bunch-by-bunch feedback (BBFB). Algorithms for tracking codes are derived, and a semi-empirical formula for the estimation of transverse quadrupole CBIs is presented. CBI studies are an integral part of the benchmarking of the cavity models for BESSY VSR and have been accompanying and influencing their entire design process. Based on the BESSY VSR cavity model with highly advanced HOM damping, beam stability is likely to be reached with a BBFB system, independent of the bunch fill pattern. Additionally, measurements of CBIs have been performed at BESSY II and the Metrology Light Source of the Physikalisch-Technische Bundesanstalt (MLS), where the longitudinal long range impedance was characterized. Transient beam loading is evaluated by means of analytic formulas and new experimentally verified tracking codes. For the baseline bunch fill pattern of BESSY VSR, it is shown that the particular setup of cavity frequencies amplifies the transient effect on the long bunch, limiting its elongation and potentially resulting in increased Touschek losses.