In this study, seismic interferometry is used to analyze dynamic processes in the Earth’s shallow subsurface caused by environmental processes and ground shaking. In the first part of the thesis, the feasibility of a passive monitoring with ambient seismic noise at the pilot site for CO2 injection in Ketzin is investigated. Monitoring the expansion of the CO2 plume is essential for the characterization of the reservoir as well as the detection of potential leakage. From June 2008 until August 2013, more than 67000 tons of CO2 were injected into a saline aquifer at a depth of about 650 m. Passive seismic data recorded at a seismic network around the injection site was cross-correlated in a frequency range of 0.5-4.5 Hz over a period of 4 years. The frequency band of 0.5-0.9 Hz, in which surface waves exhibit a high sensitivity at the depth of the reservoir, is not suitable for monitoring purposes as it is only weakly excited. In a frequency range of 1.5-3 Hz, periodic velocity variations with a period of approximately one year are found that cannot be caused by the CO2 injection. The prominent propagation direction of the noise wave field indicates a wind farm as the dominant source providing the temporally stable noise field. This spacial stability excludes variations of the noise source distribution as a spurious cause of velocity variations. Based on an amplitude decrease associated with time windows towards later parts of the coda, the variations must be generated in the shallow subsurface. A comparison to groundwater level data reveals a direct correlation between depth of the groundwater level and the seismic velocity. The influence of ground frost on the seismic velocities is documented by a sharp increase of velocity when the maximum daily temperature stays below 0 C. Although the observed periodic changes and the changes due to ground frost affect only the shallow subsurface, they mask potential signals of material changes from the reservoir depths. To investigate temporal seismic velocity changes due to earthquake-related processes and environmental forcing in northern Chile, 8 years of ambient seismic noise recorded by the Integrated Plate Boundary Observatory Chile (IPOC) are analyzed. By autocorrelating the ambient seismic noise field, approximations of the Green’s functions are retrieved and velocity changes are measured with Coda Wave Interferometry. At station PATCX, seasonal changes of seismic velocity caused by thermal stress as well as transient velocity reductions are observed in the frequency range of 4-6 Hz. Sudden velocity drops occur at times of mostly earthquake-induced ground describing the seismic velocity variations based on continuous observations of the local ground acceleration. The model assumes that not only the shaking of large earthquakes causes velocity drops, but any small vibrations continuously induce minor velocity variations that are immediately compensated by healing in the steady state. The shaking effect is accumulated over time and best described by the integrated envelope of the ground acceleration over one day, which is the temporal resolution of the velocity measurements. In the model, the amplitude of the velocity reduction as well as the recovery time are proportional to the strength of the excitation. The increase of coseismic velocity change and recovery time with increasing excitation is confirmed by laboratory tests with ultrasound. Despite having only two free scaling parameters, the model fits the data of the shaking-induced velocity variation in remarkable detail. Additionally, a linear trend is observed that might be related to a recovery process from one or more earthquakes before the measurement period. A clear relationship between ground shaking and induced velocity reductions is not visible at other stations. The outstanding sensitivity of PATCX to ground shaking and thermal stress can be attributed to the special geological setting of the station, where the subsurface material consists of a relatively loose conglomerate with high pore volume leading to stronger nonlinearity compared to the other IPOC stations. / In dieser Studie werden mit Hilfe von seismischer Interferometrie kleinste dynamische Prozesse in der Erdkruste beobachtet, welche beispielsweise durch umweltbedingte oder anthropogene Einflüsse sowie Bodenerschütterungen hervorgerufen werden können. Im ersten Teil der Arbeit werden Änderungen in der seismischen Geschwindigkeit am Pilotstandort für CO2-Speicherung in Ketzin untersucht. In einer Tiefe von 650m wurden dort zwischen Juni 2008 und August 2013 über 67000 Tonnen CO2 eingelagert. In einem Frequenzbereich vom 0,05-4,5 Hz wurden Kreuzkorrelationen des seismischen Hintergrundrauschens an einem kleinräumigen Netzwerk über einen Zeitraum von 4 Jahren berechnet. Der Frequenzbereich zwischen 0,5 und 0,9 Hz weist eine hohe Sensitivität von Oberflächenwellen in der Tiefe des Reservoirs auf, ist aber nur sehr schwach angeregt und eignet sich deswegen nicht für die Analyse. In einem Frequenzbereich von 1,5-3 Hz zeigen sich periodische Geschwindigkeitsänderungen mit einer Periode von einem Jahr, welche nicht durch die Einlagerung von CO2 erzeugt werden können. Eine Analyse des seismischen Hintergrundrauschens zeigt, dass dieses über den gesamten Zeitraum hinweg hauptsächlich aus der Richtung eines Windparks kommt. Durch die Stabilität des Wellenfeldes können Änderungen in den Quellpositionen, welche sich in scheinbaren Geschwindigkeitsänderungen zeigen können, ausgeschlossen werden. Eine Amplitudenabnahme der Geschwindigkeitsänderungen hin zu späteren Zeitfenstern in der Coda lässt auf oberflächennahe Prozesse als Ursache schließen. Ein Vergleich zwischen den jährlichen Geschwindigkeitsänderungen mit Schwankungen im Grundwasserspiegel zeigt eine direkte Korrelation. Ein sprunghafter Anstieg in der Geschwindigkeit zeigt sich im Winter, wenn die Tageshöchsttemperaturen unter den Gefrierpunkt sinken und der Boden zufriert. Obwohl Bodenfrost und Änderungen im Grundwasserspiegel nur einen sehr oberflächennahen Bereich betreffen, so überdecken sie dennoch mögliche Signale durch die Einlagerung von CO2. Im zweiten Teil der Arbeit werden Geschwindigkeitsänderungen in Nordchile untersucht, welche durch erdbebeninduzierte Prozesse und umweltbedingte Einflüsse hervorgerufen werden. Dazu wurden über einen Zeitraum von 8 Jahren Autokorrelationen des seismischen Hintergrundrauschens des IPOC Netzwerkes (Integrated Plate Boundary Observatory Chile) berechnet und mit seismischer Interferometrie ausgewertet. An der Station PATCX können in einem Frequenzbereich von 4-6 Hz periodische Geschwindigkeitsänderungen beobachet werden, welche durch thermisch induzierte Dehnung hervorgerufen werden. Außerdem treten transiente Geschwindigkeitsabnamen nach Bodenerschütterungen auf, welche hauptsächlich von Erdbeben verursacht werden. Die seismische Geschwindigkeit kehrt daraufhin langsam wieder auf ihr vorheriges Niveau zurück. Für die Geschwindigkeitsänderungen wurde ein empirisches Modell entwickelt, welches auf Messungen der lokalen Bodenerschütterung basiert. Dabei wird angenommen, dass nicht nur große erdbebeninduzierte, sondern auch kleinste Bodenerschütterungen einen Abfall der Geschwindigkeit erzeugen, welche wiederum innerhalb kürzester Zeit durch Heilung in den Gleichgewichtszustand zurückkehrt. Dabei summieren sich die Effekte durch die Bodenerschütterungen mit der Zeit auf und werden am besten mit dem Integral der lokalen Bodenbeschleunigung über die Messwerte eines Tages beschrieben. Die Diskretisierung von einem Tag entspricht der zeitlichen Auflösung in der Messung der Geschwindigkeitsänderungen. Sowohl die Amplitude der Geschwindigkeitsabnahme als auch die Zeit bis der Gleichgewichtszustand wieder erreicht ist (Heilungszeit) werden im Modell als proportinal zur Größe der Anregung angenommen. Eine Korrelation der Heilungszeit und der Amplitude der koseismischen Geschwindigkeitsabnahme mit der Größe der Anregung konnte mit Hilfe von Laboruntersuchungen mit Ultraschall bestätigt werden. Mit nur zwei Parametern beschreibt das Modell die transienten Geschwindigkeitsänderungen in bemerkenswerter Genauigkeit. Desweiteren beinhaltet das Modell einen linearen Verlauf in den Geschwindigkeitsänderungen, welcher vermutlich durch einen Heilungsprozess hervorgerufen wird, der auf ein oder mehrere Erdbeben vor dem Messzeitraum folgte. Eine Beziehung zwischen Bodenerschütterung und Geschwindigkeitsänderung ist an anderen Stationen des IPOC Netzwerkes nicht erkennbar. Die herausragende Sensitivität von PATCX im Hinblick auf Bodenerschütterung und thermische Dehnung kann den speziellen geologischen Gegebenheiten an der Station zugeschrieben werden. Bei dem dort vorliegenden Material handelt es sich um ein relativ loses Konglomerat mit großem Porenvolumen, welches ein starkes nichtlineares Verhalten aufweist, was an anderen IPOC Stationen nicht zu erwarten ist.

This thesis comprises detailed experimental and theoretical investigations of the transport properties of one-dimensional nanostructures. Most of the work is dedicated to the exploration of the fascinating effects occurring in single wall carbon nanotubes (SWCNT). These particular nanostructures gained an overwhelming interest in the past two decades due to its outstanding electronic and mechanical features. We have investigated the properties of a novel family of carbon nanostructures, named here as Y-shaped rings. The studies show that they present very interesting quantum interference effects. A high structural stability under tensile strain and elevated temperatures is observed. Within the semi-classical potential adopted, the critical strain values of structure rupture lie in the same range of their pristine SWCNT counterparts. This is directly verified by the first observations of these ring-like structures in a transmission electron microscopy. A merging process of asymmetric into symmetric rings is investigated in-situ under electron beam irradiation at high temperatures. The electronic properties of these systems are theoretically studied using Monte Carlo simulations and environment dependent tight-binding calculations. From our results, we address the possibility of double-slit like interference processes of counter-propagating electron waves in the ring-like structures. The nature of well defined, sharp peaks in the density of states are determined as the discrete eigenenergies of the central loop part. Furthermore, the formation and dispersion of standing waves inside the ring is shown to originate from the quantum-dot like confinement of each branch between the leads. The obtained dispersion relation is shown to be the same occurring in purely one-dimensional quantum dots of similar geometries. Furthermore, Fabry-Perot-like interferences are observed. We established at the IFW a bottom-up processing route to fabricate nanotube based electronic devices. The SWCNTs are grown by chemical vapor deposition and we present a detailed study of the different approaches to obtain individual nanotubes suitable for a successful integration into electronic devices. Wet-chemistry and ultra-thin films as well as ferritin were employed as catalyst particles in the growth of SWCNT samples. By adjusting the optimized process parameters, we can control the obtained yield from thick nanotube forests down to just a couple of free-standing individual SWCNTs. The nanotubes are localized, contacted by standard e-beam lithography and characterized at ambient- as well as liquid helium temperatures. We usually obtain quite transparent contacts and the devices exhibit metallic or a mixed metallic/semiconducting behavior. The well-known memory effect upon gate voltage sweeping as well as single electron tunneling in the Coulomb blockade regime are addressed.

In this study, seismic interferometry is used to analyze dynamic processes in the Earth’s shallow subsurface caused by environmental processes and ground shaking. In the first part of the thesis, the feasibility of a passive monitoring with ambient seismic noise at the pilot site for CO2 injection in Ketzin is investigated. Monitoring the expansion of the CO2 plume is essential for the characterization of the reservoir as well as the detection of potential leakage. From June 2008 until August 2013, more than 67000 tons of CO2 were injected into a saline aquifer at a depth of about 650 m. Passive seismic data recorded at a seismic network around the injection site was cross-correlated in a frequency range of 0.5-4.5 Hz over a period of 4 years. The frequency band of 0.5-0.9 Hz, in which surface waves exhibit a high sensitivity at the depth of the reservoir, is not suitable for monitoring purposes as it is only weakly excited. In a frequency range of 1.5-3 Hz, periodic velocity variations with a period of approximately one year are found that cannot be caused by the CO2 injection. The prominent propagation direction of the noise wave field indicates a wind farm as the dominant source providing the temporally stable noise field. This spacial stability excludes variations of the noise source distribution as a spurious cause of velocity variations. Based on an amplitude decrease associated with time windows towards later parts of the coda, the variations must be generated in the shallow subsurface. A comparison to groundwater level data reveals a direct correlation between depth of the groundwater level and the seismic velocity. The influence of ground frost on the seismic velocities is documented by a sharp increase of velocity when the maximum daily temperature stays below 0 C. Although the observed periodic changes and the changes due to ground frost affect only the shallow subsurface, they mask potential signals of material changes from the reservoir depths. To investigate temporal seismic velocity changes due to earthquake-related processes and environmental forcing in northern Chile, 8 years of ambient seismic noise recorded by the Integrated Plate Boundary Observatory Chile (IPOC) are analyzed. By autocorrelating the ambient seismic noise field, approximations of the Green’s functions are retrieved and velocity changes are measured with Coda Wave Interferometry. At station PATCX, seasonal changes of seismic velocity caused by thermal stress as well as transient velocity reductions are observed in the frequency range of 4-6 Hz. Sudden velocity drops occur at times of mostly earthquake-induced ground describing the seismic velocity variations based on continuous observations of the local ground acceleration. The model assumes that not only the shaking of large earthquakes causes velocity drops, but any small vibrations continuously induce minor velocity variations that are immediately compensated by healing in the steady state. The shaking effect is accumulated over time and best described by the integrated envelope of the ground acceleration over one day, which is the temporal resolution of the velocity measurements. In the model, the amplitude of the velocity reduction as well as the recovery time are proportional to the strength of the excitation. The increase of coseismic velocity change and recovery time with increasing excitation is confirmed by laboratory tests with ultrasound. Despite having only two free scaling parameters, the model fits the data of the shaking-induced velocity variation in remarkable detail. Additionally, a linear trend is observed that might be related to a recovery process from one or more earthquakes before the measurement period. A clear relationship between ground shaking and induced velocity reductions is not visible at other stations. The outstanding sensitivity of PATCX to ground shaking and thermal stress can be attributed to the special geological setting of the station, where the subsurface material consists of a relatively loose conglomerate with high pore volume leading to stronger nonlinearity compared to the other IPOC stations. / In dieser Studie werden mit Hilfe von seismischer Interferometrie kleinste dynamische Prozesse in der Erdkruste beobachtet, welche beispielsweise durch umweltbedingte oder anthropogene Einflüsse sowie Bodenerschütterungen hervorgerufen werden können. Im ersten Teil der Arbeit werden Änderungen in der seismischen Geschwindigkeit am Pilotstandort für CO2-Speicherung in Ketzin untersucht. In einer Tiefe von 650m wurden dort zwischen Juni 2008 und August 2013 über 67000 Tonnen CO2 eingelagert. In einem Frequenzbereich vom 0,05-4,5 Hz wurden Kreuzkorrelationen des seismischen Hintergrundrauschens an einem kleinräumigen Netzwerk über einen Zeitraum von 4 Jahren berechnet. Der Frequenzbereich zwischen 0,5 und 0,9 Hz weist eine hohe Sensitivität von Oberflächenwellen in der Tiefe des Reservoirs auf, ist aber nur sehr schwach angeregt und eignet sich deswegen nicht für die Analyse. In einem Frequenzbereich von 1,5-3 Hz zeigen sich periodische Geschwindigkeitsänderungen mit einer Periode von einem Jahr, welche nicht durch die Einlagerung von CO2 erzeugt werden können. Eine Analyse des seismischen Hintergrundrauschens zeigt, dass dieses über den gesamten Zeitraum hinweg hauptsächlich aus der Richtung eines Windparks kommt. Durch die Stabilität des Wellenfeldes können Änderungen in den Quellpositionen, welche sich in scheinbaren Geschwindigkeitsänderungen zeigen können, ausgeschlossen werden. Eine Amplitudenabnahme der Geschwindigkeitsänderungen hin zu späteren Zeitfenstern in der Coda lässt auf oberflächennahe Prozesse als Ursache schließen. Ein Vergleich zwischen den jährlichen Geschwindigkeitsänderungen mit Schwankungen im Grundwasserspiegel zeigt eine direkte Korrelation. Ein sprunghafter Anstieg in der Geschwindigkeit zeigt sich im Winter, wenn die Tageshöchsttemperaturen unter den Gefrierpunkt sinken und der Boden zufriert. Obwohl Bodenfrost und Änderungen im Grundwasserspiegel nur einen sehr oberflächennahen Bereich betreffen, so überdecken sie dennoch mögliche Signale durch die Einlagerung von CO2. Im zweiten Teil der Arbeit werden Geschwindigkeitsänderungen in Nordchile untersucht, welche durch erdbebeninduzierte Prozesse und umweltbedingte Einflüsse hervorgerufen werden. Dazu wurden über einen Zeitraum von 8 Jahren Autokorrelationen des seismischen Hintergrundrauschens des IPOC Netzwerkes (Integrated Plate Boundary Observatory Chile) berechnet und mit seismischer Interferometrie ausgewertet. An der Station PATCX können in einem Frequenzbereich von 4-6 Hz periodische Geschwindigkeitsänderungen beobachet werden, welche durch thermisch induzierte Dehnung hervorgerufen werden. Außerdem treten transiente Geschwindigkeitsabnamen nach Bodenerschütterungen auf, welche hauptsächlich von Erdbeben verursacht werden. Die seismische Geschwindigkeit kehrt daraufhin langsam wieder auf ihr vorheriges Niveau zurück. Für die Geschwindigkeitsänderungen wurde ein empirisches Modell entwickelt, welches auf Messungen der lokalen Bodenerschütterung basiert. Dabei wird angenommen, dass nicht nur große erdbebeninduzierte, sondern auch kleinste Bodenerschütterungen einen Abfall der Geschwindigkeit erzeugen, welche wiederum innerhalb kürzester Zeit durch Heilung in den Gleichgewichtszustand zurückkehrt. Dabei summieren sich die Effekte durch die Bodenerschütterungen mit der Zeit auf und werden am besten mit dem Integral der lokalen Bodenbeschleunigung über die Messwerte eines Tages beschrieben. Die Diskretisierung von einem Tag entspricht der zeitlichen Auflösung in der Messung der Geschwindigkeitsänderungen. Sowohl die Amplitude der Geschwindigkeitsabnahme als auch die Zeit bis der Gleichgewichtszustand wieder erreicht ist (Heilungszeit) werden im Modell als proportinal zur Größe der Anregung angenommen. Eine Korrelation der Heilungszeit und der Amplitude der koseismischen Geschwindigkeitsabnahme mit der Größe der Anregung konnte mit Hilfe von Laboruntersuchungen mit Ultraschall bestätigt werden. Mit nur zwei Parametern beschreibt das Modell die transienten Geschwindigkeitsänderungen in bemerkenswerter Genauigkeit. Desweiteren beinhaltet das Modell einen linearen Verlauf in den Geschwindigkeitsänderungen, welcher vermutlich durch einen Heilungsprozess hervorgerufen wird, der auf ein oder mehrere Erdbeben vor dem Messzeitraum folgte. Eine Beziehung zwischen Bodenerschütterung und Geschwindigkeitsänderung ist an anderen Stationen des IPOC Netzwerkes nicht erkennbar. Die herausragende Sensitivität von PATCX im Hinblick auf Bodenerschütterung und thermische Dehnung kann den speziellen geologischen Gegebenheiten an der Station zugeschrieben werden. Bei dem dort vorliegenden Material handelt es sich um ein relativ loses Konglomerat mit großem Porenvolumen, welches ein starkes nichtlineares Verhalten aufweist, was an anderen IPOC Stationen nicht zu erwarten ist.

This thesis comprises detailed experimental and theoretical investigations of the transport properties of one-dimensional nanostructures. Most of the work is dedicated to the exploration of the fascinating effects occurring in single wall carbon nanotubes (SWCNT). These particular nanostructures gained an overwhelming interest in the past two decades due to its outstanding electronic and mechanical features. We have investigated the properties of a novel family of carbon nanostructures, named here as Y-shaped rings. The studies show that they present very interesting quantum interference effects. A high structural stability under tensile strain and elevated temperatures is observed. Within the semi-classical potential adopted, the critical strain values of structure rupture lie in the same range of their pristine SWCNT counterparts. This is directly verified by the first observations of these ring-like structures in a transmission electron microscopy. A merging process of asymmetric into symmetric rings is investigated in-situ under electron beam irradiation at high temperatures. The electronic properties of these systems are theoretically studied using Monte Carlo simulations and environment dependent tight-binding calculations. From our results, we address the possibility of double-slit like interference processes of counter-propagating electron waves in the ring-like structures. The nature of well defined, sharp peaks in the density of states are determined as the discrete eigenenergies of the central loop part. Furthermore, the formation and dispersion of standing waves inside the ring is shown to originate from the quantum-dot like confinement of each branch between the leads. The obtained dispersion relation is shown to be the same occurring in purely one-dimensional quantum dots of similar geometries. Furthermore, Fabry-Perot-like interferences are observed. We established at the IFW a bottom-up processing route to fabricate nanotube based electronic devices. The SWCNTs are grown by chemical vapor deposition and we present a detailed study of the different approaches to obtain individual nanotubes suitable for a successful integration into electronic devices. Wet-chemistry and ultra-thin films as well as ferritin were employed as catalyst particles in the growth of SWCNT samples. By adjusting the optimized process parameters, we can control the obtained yield from thick nanotube forests down to just a couple of free-standing individual SWCNTs. The nanotubes are localized, contacted by standard e-beam lithography and characterized at ambient- as well as liquid helium temperatures. We usually obtain quite transparent contacts and the devices exhibit metallic or a mixed metallic/semiconducting behavior. The well-known memory effect upon gate voltage sweeping as well as single electron tunneling in the Coulomb blockade regime are addressed.

Gegenstand dieser Arbeit sind Wellenphänomene in mesoskopischen Ringstrukturen. In Teil I der Arbeit befassen wir uns mit spinabhängigem Transport von Elektronen in effektiv eindimensionalen Ringen in Gegenwart inhomogener Magnetfelder. Wir benutzen die exakten Lösungen der Schrödinger-Gleichung im allgemeinen nicht-adiabatischen Fall in einem Transfer-Matrix-Formalismus und untersuchen Auswirkungen von geometrischen Phasen auf den Magnetwiderstand. Für den Spezialfall eines Magnetfeldes in der Ringebene sagen wir einen interessanten Spin-Flip-Effekt vorher, der die Steuerung der Polarisationsrichtung von Elektronen über einen externen Aharonov-Bohm-Fluß erlaubt. Optische mesoskopische Systeme sind Thema von Teil II dieser Arbeit. Wir betrachten zweidimensionale annulare Strukturen, charakterisiert durch unterschiedliche Brechungsindizes, sowohl im klassischen Bild der geometrischen Optik als auch mit Wellenmethoden auf der Grundlage der Maxwellschen Gleichungen. Insbesondere diskutieren wir erstmals eine Streumatrixbeschreibung optischer Mikroresonatoren und wenden sie auf das dielektrische annulare Billard an. Ein Vergleich der Ergebnisse des Wellen- und Strahlenbildes liefert eine gute Übereinstimmung, jedoch sind im Grenzfall großer Wellenlängen von der Ordnung der Systemabmessungen Korrekturen zum Strahlenbild nötig. Wir zeigen am Beispiel von Fresnel-Gesetzen für gekrümmte Oberflächen erstmals, daß der Goos-Hänchen-Effekt diese Korrekturen quantitativ erfaßt. Ausgehend von der Wellenbeschreibung leiten wir neue analytische Formeln für verallgemeinerte Fresnel-Gesetze für beide möglichen Polarisationsrichtungen ab. Die Anwendung des Strahlenbildes erlaubt eine schlüssige Interpretation eines Experiments mit einer quadrupolaren Glasfaser, außerdem schlagen wir Strahlenkonzepte als Grundlage der Konstruktion von Mikrolasern mit maßgeschneiderten Charakteristika vor. / In this work we investigate wave phenomena in mesoscopic systems using different theoretical approaches. In Part I, we focus on effectively one-dimensional electronic ring structures and address the phenomenon of geometric phases in spin-dependent electronic transport in the presence of non-uniform magnetic fields. In the general non-adiabatic case, exact solutions of the Schrödinger equation are used in a transfer matrix formalism to compute the transmission probability through the ring. In the magneto-conductance we identify clear signatures of interference effects due to geometric phases, for example in rings where the non-uniform field is created by a central micromagnet. For the special case of an in-plane magnetic field we predict an interesting spin-flip effect that allows one to control the spin polarization of electrons by applying an external Aharonov-Bohm flux. Optical mesoscopic systems are the subject of Part II. We consider two-dimensional annular structures characterized by different refractive indices, and apply classical methods from geometric optics as well as wave concepts based on Maxwell's equations. For the first time, an S-matrix approach is successfully employed in the description of resonances in optical microresonators; in particular we propose the dielectric annular billiard as an attractive model system. Comparing ray and wave pictures, we find general agreement, except for large wavelengths of the order of the system size, where corrections to the ray model are necessary. The Goos-Hänchen effect as an extension of the ray picture is shown to quantitatively account for wave modifications of Fresnel's laws due to curved interfaces. We derive novel analytical expressions for the corrected Fresnel formulas for both polarizations of light. Motivated by the successful ray description, we give a conclusive interpretation of a recent filter experiment on a quadrupolar glass fibre, and suggest novel concepts for microresonator-based lasers.

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Gegenstand dieser Arbeit sind Wellenphänomene in mesoskopischen Ringstrukturen. In Teil I der Arbeit befassen wir uns mit spinabhängigem Transport von Elektronen in effektiv eindimensionalen Ringen in Gegenwart inhomogener Magnetfelder. Wir benutzen die exakten Lösungen der Schrödinger-Gleichung im allgemeinen nicht-adiabatischen Fall in einem Transfer-Matrix-Formalismus und untersuchen Auswirkungen von geometrischen Phasen auf den Magnetwiderstand. Für den Spezialfall eines Magnetfeldes in der Ringebene sagen wir einen interessanten Spin-Flip-Effekt vorher, der die Steuerung der Polarisationsrichtung von Elektronen über einen externen Aharonov-Bohm-Fluß erlaubt. Optische mesoskopische Systeme sind Thema von Teil II dieser Arbeit. Wir betrachten zweidimensionale annulare Strukturen, charakterisiert durch unterschiedliche Brechungsindizes, sowohl im klassischen Bild der geometrischen Optik als auch mit Wellenmethoden auf der Grundlage der Maxwellschen Gleichungen. Insbesondere diskutieren wir erstmals eine Streumatrixbeschreibung optischer Mikroresonatoren und wenden sie auf das dielektrische annulare Billard an. Ein Vergleich der Ergebnisse des Wellen- und Strahlenbildes liefert eine gute Übereinstimmung, jedoch sind im Grenzfall großer Wellenlängen von der Ordnung der Systemabmessungen Korrekturen zum Strahlenbild nötig. Wir zeigen am Beispiel von Fresnel-Gesetzen für gekrümmte Oberflächen erstmals, daß der Goos-Hänchen-Effekt diese Korrekturen quantitativ erfaßt. Ausgehend von der Wellenbeschreibung leiten wir neue analytische Formeln für verallgemeinerte Fresnel-Gesetze für beide möglichen Polarisationsrichtungen ab. Die Anwendung des Strahlenbildes erlaubt eine schlüssige Interpretation eines Experiments mit einer quadrupolaren Glasfaser, außerdem schlagen wir Strahlenkonzepte als Grundlage der Konstruktion von Mikrolasern mit maßgeschneiderten Charakteristika vor. / In this work we investigate wave phenomena in mesoscopic systems using different theoretical approaches. In Part I, we focus on effectively one-dimensional electronic ring structures and address the phenomenon of geometric phases in spin-dependent electronic transport in the presence of non-uniform magnetic fields. In the general non-adiabatic case, exact solutions of the Schrödinger equation are used in a transfer matrix formalism to compute the transmission probability through the ring. In the magneto-conductance we identify clear signatures of interference effects due to geometric phases, for example in rings where the non-uniform field is created by a central micromagnet. For the special case of an in-plane magnetic field we predict an interesting spin-flip effect that allows one to control the spin polarization of electrons by applying an external Aharonov-Bohm flux. Optical mesoscopic systems are the subject of Part II. We consider two-dimensional annular structures characterized by different refractive indices, and apply classical methods from geometric optics as well as wave concepts based on Maxwell's equations. For the first time, an S-matrix approach is successfully employed in the description of resonances in optical microresonators; in particular we propose the dielectric annular billiard as an attractive model system. Comparing ray and wave pictures, we find general agreement, except for large wavelengths of the order of the system size, where corrections to the ray model are necessary. The Goos-Hänchen effect as an extension of the ray picture is shown to quantitatively account for wave modifications of Fresnel's laws due to curved interfaces. We derive novel analytical expressions for the corrected Fresnel formulas for both polarizations of light. Motivated by the successful ray description, we give a conclusive interpretation of a recent filter experiment on a quadrupolar glass fibre, and suggest novel concepts for microresonator-based lasers.

ICA512/PTPRN is a receptor tyrosine-like phosphatase implicated in the biogenesis and turnover of the insulin secretory granules (SGs) in pancreatic islet beta cells. Previously we found biophysical evidence that its luminal RESP18 homology domain (RESP18HD) forms a biomolecular condensate and interacts with insulin in vitro at close-to-neutral pH, that is, in conditions resembling those present in the early secretory pathway. Here we provide further evidence for the relevance of these findings by showing that at pH 6.8 RESP18HD interacts also with proinsulin—the physiological insulin precursor found in the early secretory pathway and the major luminal cargo of β-cell nascent SGs. Our light scattering analyses indicate that RESP18HD and proinsulin, but also insulin, populate nanocondensates ranging in size from 15 to 300 nm and 10e2 to 10e6 molecules. Co-condensation of RESP18HD with proinsulin/insulin transforms the initial nanocondensates into microcondensates (size >1 μm). The intrinsic tendency of proinsulin to self-condensate implies that, in the ER, a chaperoning mechanism must arrest its spontaneous intermolecular condensation to allow for proper intramolecular folding. These data further suggest that proinsulin is an early driver of insulin SG biogenesis, in a process in which its co-condensation with RESP18HD participates in their phase separation from other secretory proteins in transit through the same compartments but destined to other routes. Through the cytosolic tail of ICA512, proinsulin co-condensation with RESP18HD may further orchestrate the recruitment of cytosolic factors involved in membrane budding and fission of transport vesicles and nascent SGs.

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