Eine phasische Ausschüttung des Neurotransmitters Dopamin wird u.a. mit positivem Affekt, der Reaktivität auf Neuheit und kognitiver Handlungssteuerung in Verbindung gebracht. In der vorliegenden Doktorarbeit wurde der dopaminerge Einfluss auf die Flexibilität und Stabilität der Handlungssteuerung untersucht. Für eine zielgerichtete Handlung sind beide antagonistischen Anforderungen notwendig. Einerseits müssen gewählte Handlungsabsichten gegenüber irrelevanten Ablenkungsreizen abgeschirmt und somit stabilisiert werden. Andererseits müssen diese Absichten im Falle handlungsrelevanter Änderungen der Situation flexibel angepasst werden. Als theoretische Grundlage für die vorliegende Arbeit dienten in diesem Zusammenhang folgende Kernthesen von Miller und Cohen (2001): (1) Der präfrontale Kortex (PFC) ist entscheidend an der Regulation der Handlungssteuerung beteiligt. (2) Eine phasische Dopaminausschüttung ermöglicht die Aufnahme neuer Reize im PFC und damit die Möglichkeit, gegebenenfalls aktuelle Regeln und Ziele zu ändern. (3) Eine phasische Dopaminausschüttung verschiebt demnach die Balance zwischen einer flexiblen und stabilen Handlungssteuerung in Richtung Flexibilität. In den ersten beiden Studien der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss interindividueller Unterschiede dopaminerger Aktivität auf die Flexibilität der Handlungssteuerung untersucht. Als Prädiktoren wurden die spontane Lidschlagrate (EBR), die Polymorphismen COMT Val-158-Met und DRD4 Exon III sowie das Geschlecht eingesetzt. In der dritten Studie sollte eine Dopaminausschüttung experimentell durch die Darbietung von Signalen einer potenziellen Belohnung (Geldgewinn) stimuliert werden. Hierdurch sollten die beobachteten Zusammenhänge aus den ersten beiden Studien erhärtet und in einem erweiterten theoretischen Kontext untersucht werden. In allen drei Studien zeigte sich ein signifikanter Zusammenhang von Lidschlagrate und kognitiver Flexibilität (mittleres η²=8%). Entsprechend der Vorhersage wurde mit steigender Lidschlagrate eine erhöhte Flexibilität beobachtet. Ferner ergaben sich Interaktionseffekte zwischen EBR und DRD 4 Exon III Polymorphismus bzw. EBR und Geschlecht, sowie ein Geschlechtshaupteffekt. Zur Stabilität dieser Effekte konnte jedoch jeweils keine abschließende Aussage gemacht werden. In der dritten Studie zeigte sich bei Darbietung des Belohnungssignals eine erhöhte kognitive Stabilität (η²=7%). Dieser Zusammenhang wurde vom subjektiven Erlebens des Experiments moderiert (η²=11%): Personen, die den Eindruck hatten, ohne große Anstrengung viel zu gewinnen, zeigten eine erhöhte kognitive Flexibilität. Diese beiden Befunde können innerhalb einer integrativen Theorie von Cohen et al. (2004) plausibel erklärt werden. Der Belohnungs-Haupteffekt könnte auf die Dominanz eines (noradrenergen) Wirkungspfades im Kontext der Wettkampfsituation hinweisen. Der moderierende Effekt des subjektiven Erlebens könnte gemäß der oben erläuterten Kernthesen von Miller und Cohen (2001) als gleichzeitige Flexibilisierung über den dopaminergen Wirkungspfad interpretiert werden, die insbesondere bei geringer wahrgenommener Anstrengung dominieren kann. Als wichtigstes Ergebnis der vorliegenden Arbeit kann zusammenfassend festgestellt werden, dass die Hypothese einer dopaminergen Beeinflussung der Flexibilitäts-Stabilitäts-Balance der kognitiven Handlungssteuerung durch die Ergebnisse der drei Studien unterstützt werden konnte. Dabei erwies sich insbesondere die spontane Lidschlagrate als zuverlässiger non-invasiver und effizient zu erhebender Prädiktor dopaminerger Aktivität. Der flexibilisierende Einfluss von Dopamin kann von einem stabilisierenden Einfluss überlagert werden. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn eine erforderliche Leistung zur Erreichung einer Belohnung als nützlich eingeschätzt und subjektiv als anstrengend wahrgenommen wird. / Converging evidence suggests a modulatory role of the neurotransmitter dopamine concerning reward, positive affect, novelty, and cognitive control. According to Miller and Cohen (2001) a phasic burst of dopamine shifts the balance between cognitive flexibility versus stability towards increased flexibility. Based on this assumption the current dissertation aimed at revealing associations between correlates of dopaminergic activity and the cognitive flexibility in an attentional set-shifting paradigm. In the first two studies we examined individual differences in the spontaneous eyeblink rate (EBR), the polymorphisms DRD4 exon III and COMT Val158Met polymorphism, as well as gender. In the third study we examined the impact of prospective monetary gains. Through this the findings of the first two studies should be validated and tested in an extended theoretical background. In all three studies an association between high EBR and increased cognitive flexibility was observed (mean η²=8%). Thus the main thesis of Miller and Cohen (2001) could be confirmed. Furthermore we observed interactions between EBR and DRD4 and EBR and gender, as well as a gender main effect on cognitive flexibility. In the third study we observed increased cognitive stability in the face of prospective gains (η²=7%). However, this effect was modulated by the subjective evaluation of the reward cues: participants who reported increasing their effort in response to reward cues showed increased cognitive stability whereas those who reported a positive and relaxed attitude towards the reward cues showed increased flexibility (η²=11%). The results thus suggest that the flexibility-stability-balance is modulated by the perceived effort needed to receive the potential reward.

Es wurde ein neues Zweifluidmodell entwickelt, um Nichtgleichgewichtseffekte in kritischen und nahkritischen Ein-komponenten-Zweiphasenströmungen von anfänglich unter-kühlten oder siedenden Fluiden durch Rohre und Düsen zu untersuchen. Das vorgeschlagene Sechs-Gleichungsmodell besteht aus den phasenbezogenen Erhaltungsgleichungen für Masse und Impuls, der Bilanzgleichung für die thermische Energie der flüssigen Phase sowie einer zusätzlichen Transport-gleichung für die volumetrische Blasenanzahl. Zur Lösung des Systems aus partiellen Differentialgleichungen wird ein semi-implizites Finite-Differenzen-Zeitschrittverfahren angewendet. Die Schließung des Gleichungssystems wird durch Einbindung thermodynamischer Beziehungen und konstitutiver Gleichungen, die den strömungsformabhängigen Impuls-, Wärme- und Stofftransport beschreiben, erreicht. Für Strömungssysteme mit spontaner Entspannungsverdampfung aus dem rein flüssigen Zustand (Flashing) werden verschiedene Keimbildungsmodelle eingesetzt, die den Anfangszustand der verzögerten Dampfbildung beschreiben. Auf diese Weise werden thermodynamische Nichtgleichgewichtszustände als Folge von Zuständen mit für die Aktivierung von Keimstellen benötigtem Energieüberschuß, eingeschränkt vorhandener Phasengrenzfläche sowie begrenzter Wärmeübertragung zwischen den Phasen betrachtet. Abweichungen vom fluid-dynamischen Gleichgewicht (Phasenschlupf) ergeben sich aufgrund unterschiedlicher Trägheitseigenschaften und verschieden stark ausgeprägter mechanischer Kopplung zwischen den Phasen. Die mit diesem Modell erhaltenen numerischen Ergebnisse stimmen gut mit experimentellen Werten für Zweiphasen-strömungen mit unterschiedlichen Eintrittsbedingungen und Kanalgeometrien überein. / A new two-fluid flow model has been developed in order to examine non-equilibrium effects in critical and near-critical one-component two-phase flows of initially subcooled or saturated fluids through pipes and nozzles. The six-equation model proposed consists of the phasic conservation equations of mass and momentum, the liquid thermal energy, and of an additional transport equation for the bubble number density. To solve for the unknowns of the system of partial differential equations, a semi-implicit finite difference time-marching method is utilized. The closure of the set of equations is accomplished by thermodynamic relationships and additional constitutive equations describing momentum transport, interphase heat, and mass transfer which account for different flow regimes. For fluid flow systems undergoing a sudden change of phase from the pure liquid state (flashing), distinct nucleation models are included to describe the initial state of delayed vapor generation. In this way thermal non-equilibrium states are considered to be the consequence of excessive energy states required to activate nucleation sites, of restricted interfacial area and limited heat transfer between the phases. Deviation from fluid-dynamic equilibrium (phasic slip) results from different inertial properties and from distinct strength of mechanical coupling between the phases. The numerical results obtained with this model agree quite well with experimental data for two-phase flows with various inlet conditions and channel geometries.

In der hier vorliegenden Studie wurde ein bisher noch nicht beachteter Teil der Sportwissenschaften untersucht. Nach einer umfassenden Literaturrecherche und qualitativen Interviews wurden im Zeitraum von 2005 bis 2006 von über 500 Kampfstilschülern - und Trainern Aggressionswerte sowie sportpädagogisch und -soziologisch relevante Fakten erhoben. Hierbei wurden bewusst solche Personen befragt, die Stile mit überdurchschnittlich hartem Trefferkontakt trainieren. Neben Muay Thai, Freefight und Eskrima unter anderem Krav Maga Maar, Kyushinkai Karate und Grappling. Neben der Schaffung eines umfassenden Grundlagenmaterials zu Themen wie Herkunft, Alter, Bildung, und persönlichen Interessen werden Trainingsgewohnheiten ausgewertet und Beziehungen zu folgenden Faktoren hergestellt: Spontane Aggression, Reaktive Aggression, Summenaggression, Aggressionshemmung, Erregbarkeit und Offenheit. Zur Erfassung der genannten Faktoren wurde der FAF-Test verwendet. Neben einer überdurchschnittlichen Bildung, und im allgemeinen sehr geringen Aggressionswerten konnten auch Tendenzen festgestellt werden, nachdem einige Schüler ihr erlernten Techniken für gezielte Aggressionen außerhalb des Trainings nutzen. Weitere unerwartete Ergebnisse fanden sich unter anderem in den unterschiedlichen Einschätzungen von Trainern und ihren Schülern im Bezug auf deren pädagogischen Einfluss jenseits des Techniktrainings. / The aim of this study is to investigate a field of physical education which has been ignored up to now. After a literature review and a qualitative interview analyses more than 500 martial arts coaches and students have been asked from 2005 to 2006 to collect aggressiveness values and different sports pedagogy and -sociologic relevant data .The study was targeted at "hard -style" martial arts such as Muay Thai, Freefight, Escrima, Krav Maga Maar, Kyushinkai Karate and Grappling. One of the aims was to collect substructal data such as social background, age, education and hobbies. The training data was evaluated and related to the following factors using the FAF Test: Spontaneous Aggression, Reactive Aggression, Aggressionsum, Aggression Escapement, Impulsiveness and Openness. Beside an above-average education and in general low aggressiveness factors the results of the study were a tendency towards the utilisation of martial arts techniques for violent behaviour outside the dojo. Further results include different ratings in the effectiveness of the pedagogical impact of teacher on their students.

In dieser Arbeit werden zwei wesentliche neue Ergebnisse vorgestellt. Das erste bezieht sich auf die olfaktorische Kodierung und das zweite auf das sensorische Gedaechtnis. Beide Phaenomene werden am Beispiel des Gehirns der Honigbiene untersucht. In Bezug auf die olfaktorische Kodierung zeige ich, dass die neuronale Dynamik waehrend der Stimulation im Antennallobus duftspezifische Trajektorien beschreibt, die in duftspezifischen Attraktoren enden. Das Zeitinterval, in dem diese Attraktoren erreicht werden, betraegt unabhaengig von der Identitaet und der Konzentration des Duftes ungefaehr 800 ms. Darueber hinaus zeige ich, dass Support-Vektor Maschinen, und insbesondere Perzeptronen, ein realistisches und biologisches Model der Wechselwirkung zwischen dem Antennallobus (dem kodierenden Netwerk) und dem Pilzkoerper (dem dekodierenden Netzwerk) darstellen. Dieses Model kann sowohl Reaktionszeiten von ca. 300 ms als auch die Invarianz der Duftwahrnehmung gegenueber der Duftkonzentration erklaeren. In Bezug auf das sensorische Gedaechtnis zeige ich, dass eine einzige Stimulation ohne Belohnung dem Hebbschen Postulat folgend Veraenderungen der paarweisen Korrelationen zwischen Glomeruli induziert. Ich zeige, dass diese Veranderungen der Korrelationen bei 2/3 der Bienen ausreichen, um den letzten Stimulus zu bestimmen. In der zweiten Minute nach der Stimulation ist eine erfolgreiche Bestimmung des Stimulus nur bei 1/3 der Bienen moeglich. Eine Hauptkomponentenanalyse der spontanen Aktivitaet laesst erkennen, dass das dominante Muster des Netzwerks waehrend der spontanen Aktivitaet nach, aber nicht vor der Stimulation das duftinduzierte Aktivitaetsmuster bei 2/3 der Bienen nachbildet. Man kann deshalb die duftinduzierten (Veraenderungen der) Korrelationen als Spuren eines Kurzzeitgedaechtnisses bzw. als Hebbsche "Reverberationen" betrachtet werden. / Two major novel results are reported in this work. The first concerns olfactory coding and the second concerns sensory memory. Both phenomena are investigated in the brain of the honeybee as a model system. Considering olfactory coding I demonstrate that the neural dynamics in the antennal lobe describe odor-specific trajectories during stimulation that converge to odor-specific attractors. The time interval to reach these attractors is, regardless of odor identity and concentration, approximately 800 ms. I show that support-vector machines and, in particular perceptrons provide a realistic and biological model of the interaction between the antennal lobe (coding network) and the mushroom body (decoding network). This model can also account for reaction-times of about 300 ms and for concentration invariance of odor perception. Regarding sensory memory I show that a single stimulation without reward induces changes of pairwise correlation between glomeruli in a Hebbian-like manner. I demonstrate that those changes of correlation suffice to retrieve the last stimulus presented in 2/3 of the bees studied. Succesful retrieval decays to 1/3 of the bees within the second minute after stimulation. In addition, a principal-component analysis of the spontaneous activity reveals that the dominant pattern of the network during the spontaneous activity after, but not before stimulation, reproduces the odor-induced activity pattern in 2/3 of the bees studied. One can therefore consider the odor-induced (changes of) correlation as traces of a short-term memory or as Hebbian reverberations.

Suburothelial myofibroblasts (sMF) are located underneath the urothelium in close proximity to afferent nerves and show spontaneous calcium activity in vivo and in vitro. They express purinergic receptors and calcium transients can be evoked by ATP. Therefore they are supposed to be involved in afferent signaling of the bladder fullness. Myofibroblast cultures, established from cystectomies, were challenged by exogenous ATP in presence or absence of purinergic antagonist. Fura-2 calcium imaging was used to monitor ATP (10-16 to 10-4 mol/l) induced alterations of calcium activity. Purinergic receptors (P2X1, P2X2, P2X3) were analysed by confocal immunofluorescence. We found spontaneous calcium activity in 55.18% ± 1.65 (mean ± SEM) of the sMF (N=48 experiments). ATP significantly increased calcium activity even at 10-16 mol/l. The calcium transients were partially attenuated by subtype selective antagonist (TNP-ATP, 1μM; A-317491, 1μM), and were mimicked by the P2X1, P2X3 selective agonist α,β-methylene ATP. The expression of purinergic receptor subtypes in sMF was confirmed by immunofluorescence. Our experiments demonstrate for the first time that ATP can modulate spontaneous activity and induce intracellular Ca2+ response in cultured sMF at very low concentrations, most likely involving ionotropic P2X receptors. These findings support the notion that sMF are able to register bladder fullness very sensitively, which predestines them for the modulation of the afferent bladder signaling in normal and pathological conditions.

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In this thesis, quantum cluster methods are used to calculate electronic properties of correlated-electron systems. A special focus lies in the determination of the ground state properties of a 3/4 filled triangular lattice within the one-band Hubbard model. At this filling, the electronic density of states exhibits a so-called van Hove singularity and the Fermi surface becomes perfectly nested, causing an instability towards a variety of spin-density-wave (SDW) and superconducting states. While chiral d+id-wave superconductivity has been proposed as the ground state in the weak coupling limit, the situation towards strong interactions is unclear. Additionally, quantum cluster methods are used here to investigate the interplay of Coulomb interactions and symmetry-breaking mechanisms within the nematic phase of iron-pnictide superconductors. The transition from a tetragonal to an orthorhombic phase is accompanied by a significant change in electronic properties, while long-range magnetic order is not established yet. The driving force of this transition may not only be phonons but also magnetic or orbital fluctuations. The signatures of these scenarios are studied with quantum cluster methods to identify the most important effects. Here, cluster perturbation theory (CPT) and its variational extention, the variational cluster approach (VCA) are used to treat the respective systems on a level beyond mean-field theory. Short-range correlations are incorporated numerically exactly by exact diagonalization (ED). In the VCA, long-range interactions are included by variational optimization of a fictitious symmetry-breaking field based on a self-energy functional approach. Due to limitations of ED, cluster sizes are limited to a small number of degrees of freedom. For the 3/4 filled triangular lattice, the VCA is performed for different cluster symmetries. A strong symmetry dependence and finite-size effects make a comparison of the results from different clusters difficult. The ground state in the weak-coupling limit is superconducting with chiral d+id-wave symmetry, in accordance to previous renormalization group approaches. In the regime of strong interactions SDW states are preferred over superconductivity and a collinaer SDW state with nonuniform spin moments on a quadrupled unit cell has the lowest grand potential. At strong coupling, inclusion of short-range quantum fluctuations turns out to favor this collinear state over the chiral phase predicted by mean-field theory. At intermediate interactions, no robust conclusion can be drawn from the results. Symmetry-breaking mechanisms within the nematic phase of the iron-pnictides are studied using a three-band model for the iron planes on a 4-site cluster. CPT allows a local breaking of the symmetry within the cluster without imposing long-range magnetic order. This is a crucial step beyond mean-field approaches to the magnetically ordered state, where such a nematic phase cannot easily be investigated. Three mechanisms are included to break the fourfold lattice symmetry down to a twofold symmetry. The effects of anisotropic magnetic couplings are compared to an orbital ordering field and anisotropic hoppings. All three mechanisms lead to similar features in the spectral density. Since the anisotropy of the hopping parameters has to be very large to obtain similar results as observed in ARPES, a phonon-driven transition is unlikely.

In this thesis, quantum cluster methods are used to calculate electronic properties of correlated-electron systems. A special focus lies in the determination of the ground state properties of a 3/4 filled triangular lattice within the one-band Hubbard model. At this filling, the electronic density of states exhibits a so-called van Hove singularity and the Fermi surface becomes perfectly nested, causing an instability towards a variety of spin-density-wave (SDW) and superconducting states. While chiral d+id-wave superconductivity has been proposed as the ground state in the weak coupling limit, the situation towards strong interactions is unclear. Additionally, quantum cluster methods are used here to investigate the interplay of Coulomb interactions and symmetry-breaking mechanisms within the nematic phase of iron-pnictide superconductors. The transition from a tetragonal to an orthorhombic phase is accompanied by a significant change in electronic properties, while long-range magnetic order is not established yet. The driving force of this transition may not only be phonons but also magnetic or orbital fluctuations. The signatures of these scenarios are studied with quantum cluster methods to identify the most important effects. Here, cluster perturbation theory (CPT) and its variational extention, the variational cluster approach (VCA) are used to treat the respective systems on a level beyond mean-field theory. Short-range correlations are incorporated numerically exactly by exact diagonalization (ED). In the VCA, long-range interactions are included by variational optimization of a fictitious symmetry-breaking field based on a self-energy functional approach. Due to limitations of ED, cluster sizes are limited to a small number of degrees of freedom. For the 3/4 filled triangular lattice, the VCA is performed for different cluster symmetries. A strong symmetry dependence and finite-size effects make a comparison of the results from different clusters difficult. The ground state in the weak-coupling limit is superconducting with chiral d+id-wave symmetry, in accordance to previous renormalization group approaches. In the regime of strong interactions SDW states are preferred over superconductivity and a collinaer SDW state with nonuniform spin moments on a quadrupled unit cell has the lowest grand potential. At strong coupling, inclusion of short-range quantum fluctuations turns out to favor this collinear state over the chiral phase predicted by mean-field theory. At intermediate interactions, no robust conclusion can be drawn from the results. Symmetry-breaking mechanisms within the nematic phase of the iron-pnictides are studied using a three-band model for the iron planes on a 4-site cluster. CPT allows a local breaking of the symmetry within the cluster without imposing long-range magnetic order. This is a crucial step beyond mean-field approaches to the magnetically ordered state, where such a nematic phase cannot easily be investigated. Three mechanisms are included to break the fourfold lattice symmetry down to a twofold symmetry. The effects of anisotropic magnetic couplings are compared to an orbital ordering field and anisotropic hoppings. All three mechanisms lead to similar features in the spectral density. Since the anisotropy of the hopping parameters has to be very large to obtain similar results as observed in ARPES, a phonon-driven transition is unlikely.

Suburothelial myofibroblasts (sMF) are located underneath the urothelium in close proximity to afferent nerves and show spontaneous calcium activity in vivo and in vitro. They express purinergic receptors and calcium transients can be evoked by ATP. Therefore they are supposed to be involved in afferent signaling of the bladder fullness. Myofibroblast cultures, established from cystectomies, were challenged by exogenous ATP in presence or absence of purinergic antagonist. Fura-2 calcium imaging was used to monitor ATP (10-16 to 10-4 mol/l) induced alterations of calcium activity. Purinergic receptors (P2X1, P2X2, P2X3) were analysed by confocal immunofluorescence. We found spontaneous calcium activity in 55.18% ± 1.65 (mean ± SEM) of the sMF (N=48 experiments). ATP significantly increased calcium activity even at 10-16 mol/l. The calcium transients were partially attenuated by subtype selective antagonist (TNP-ATP, 1μM; A-317491, 1μM), and were mimicked by the P2X1, P2X3 selective agonist α,β-methylene ATP. The expression of purinergic receptor subtypes in sMF was confirmed by immunofluorescence. Our experiments demonstrate for the first time that ATP can modulate spontaneous activity and induce intracellular Ca2+ response in cultured sMF at very low concentrations, most likely involving ionotropic P2X receptors. These findings support the notion that sMF are able to register bladder fullness very sensitively, which predestines them for the modulation of the afferent bladder signaling in normal and pathological conditions.:1. Introduction............................................................................ 1 1.1. Anatomy and histology of the human urinary bladder..................... 1 1.1.1. Anatomy of the human urinary bladder..................................... 1 1.1.2. Structure of the human urinary bladder wall............................... 2 1.2. Normal bladder function and bladder dysfunction.......................... 3 1.2.1 Normal bladder function......................................................... 3 1.2.2 Sensory aspect.................................................................... 4 1.2.3 Overactivity or hypersensitivity of bladder.................................. 5 1.3 The role of functional cell types and interaction in urinary bladder... 6 1.3.1 The role of urothelium.......................................................... 7 1.3.2Theroleofsuburotheliamyofibroblast...................................... 7 1.3.3Theroleofdetrusorsmoothmusclecells.................................. 9 1.3.4 Possible interactions in urinary bladder cell types........................ 10 1.4 ATP function and Purinergic signalling in bladder........................... 11 1.5 Spontaneous activity of bladder................................................... 13 2. Objective.................................................................................. 15 3. Material and methods............................................................... 16 3.1. Ethics Statement........................................................................ 16 3.2. Cell preparation.......................................................................... 16 3.3. Solutions and chemicals............................................................. 19 3.4. Intracellular calcium measurements............................................. 20 2.4.1. Preparing cells for Calcium Imaging.......................................... 20 2.4.2. Preparing workspace of calcium imaging................................... 20 2.4.3. Calcium imaging recording...................................................... 22 3.5 Data analysis with automated Fluorescence analysis..................... 22 3.6 Confocal Immunofluorescence.................................................... 25 3.7 Statistics................................................................................. 26 4. Results.................................................................................. 27 4.1 Spontaneous calcium activity of sMF........................................... 27 4.2 ATP effects on calcium response in sMF...................................... 27 4.3 Analysis of purinergic receptors involved.................................... 30 3.3.1 Agonist stimulation.............................................................. 30 3.3.2 Signal inhibition by specific antagonists................................... 31 4.4 Confocal immunofluorescence of purinergic receptors.................. 32 5. Discussion............................................................................. 34 5.1 Myofibroblast identification....................................................... 34 5.2 Spontaneous activity in the bladder............................................ 36 5.3 ATP modulated calcium activity in sMF....................................... 37 5.4 purinergic signalling in sMF........................................................ 39 6. Summary................................................................................ 42 7. References.............................................................................. 45 Declaration............................................................................. 50 Acknowledgements................................................................. 51

Die verlässliche Erzeugung einzelner Photonen mit wohldefinierten Eigenschaften in allen Freiheitsgraden ist entscheidend für die Entwicklung photonischer Quantentechnologien. Derzeit basieren die wichtigsten Einzelphotonenquellen auf dem Prozess der spontanen parameterischen Fluoreszenz (SPF), bei dem ein Pumpphoton in einem nichtlinearen Medium spontan in ein Paar aus Signal und Idlerphotonen zerfällt. Resonator-überhöhte SPF, also das Plazieren des nichtlinearen Mediums in einem optischen Resonator, ist ein weit verbreitetes Verfahren, um Einzelphotonenquellen mit erhöhter Helligkeit und angepassten spektralen Eigenschaften zu konstruieren. Das Anpassen der spektralen Eigenschaften durch gezielte Auswahl der Resonatoreigenschaften ist besonders für hybride Quantentechnologienvon Bedeutung, welche darauf abzielen, unterschiedliche Quntensysteme so zu kombinieren, dass sich deren Vorteile ergänzen. Diese Arbeit stellt eine umfassende theoretische und experimentelle Analyse der dreifach resonanten SPF vor. Das aus der Literatur bekannte theoretische Modell wird diesbezüglich verbessert, dass der Einfluss sämtlicher Eigenschaften des Resonators auf die wichtigen experimentellen Größen (z.B. die Erzeugungsrate) gezielt ausgewertet werden kann. Dieses verbesserte und hoch genaue Modell stellt eine wichtige Grundlage für die Entwicklung und Optimierung neuartiger Photonenpaarquellen dar. Im experimentellen Teil dieser Arbeit wird der Aufbau und die Charakterisierung einer dreifach resonanten Photonenpaarquellen präsentiert. Die neu entwickelte digitale Regelelektronik sowie ein hochstabiler, schmalbandiger Monochromator welcher auf monolitischen, polarisationsunabhängigen Fabry-Pérot Resonatoren basiert, werden vorgestellt. Indem diese temperaturstabilisierten Resonatoren als Spetrumanalysator verwendet werden, wird zum ersten Mal die Frequenzkammstruktur des Spektrums der erzeugten Signal- und Idlerphotonen nachgewiesen. Des Weiteren wird der Einfluss der Pumpresonanz auf die Korrelationsfunktion und die Zweiphotoneninterferenz von Signal- und Idlerphotonen simuliert und vermessen. Abschließend werden Experimente aus dem Bereich der hybriden Quantennetzwerke präsentiert, in welchen Quantenfrequenzkonversion verwendet wird um die erzeugten Signalphotonen in das Telekommunikationsband zu transferieren. Dabei wird nachgewiesen, dass das temporale Wellenpaket durch die Konversion nicht beeinflusst wird und aufgezeigt, wie Quantennetzwerke von kommerziellen Telekommunikationstechnologien profitieren können. / The consistent generation of single photons with well-defined properties in all degrees of freedom is crucial for the development of photonic quantum technologies. Today, the most prominent sources of single photons are based on the process of spontaneous parametric down-conversion (SPDC) where a pump photon spontaneously decays into a pair of signal and idler photons inside a nonlinear medium. Cavity-enhanced SPDC, i.e., placing the nonlinear medium inside an optical cavity, is widely used to build photon-pair sources with increased brightness and tailored spectral properties. This spectral tailoring by selective adjustment of the cavity parameters is of particular importance for hybrid quantum technologies which seek to combine dissimilar quantum systems in a way that their advantages complement each other. This thesis provides a comprehensive theoretical and experimental analysis of triply-resonant cavity-enhanced SPDC. We improve the theoretical model found in the literature such that the influence of all resonator properties on the important experimental parameters (e.g., the generation rate) can be analyzed in detail. This convenient and highly accurate model of cavity-enhanced SPDC represents an important basis for the design and optimization of novel photonpair sources. The experimental part of this thesis presents the setup and characterization of a triply-resonant photon-pair source. We describe the digital control system used to operate this source over days without manual intervention, and we present a highly stable, narrow-linewidth monochromator based on cascaded, polarization-independent monolithic Fabry-Pérot cavities. Utilizing these temperature-stabilized cavities as a spectrum analyzer, we verify, for the first time, the frequency comb spectral structure of photons generated by cavity-enhanced SPDC. We further simulate and measure the impact of the pump resonance on the temporal wave-packets and the two-photon interference of signal and idler photons. Finally, we present a series of experiments in the context of hybrid quantum networks where we employ quantum frequency conversion (QFC) to transfer the generated signal photons into the telecommunication band. We verify the preservation of the temporal wave-packet upon QFC and highlight how quantum networks can benefit from advanced commercial telecommunication technologies.