TY - JOUR A1 - Fischer, Eric Wolfgang A1 - Anders, Janet A1 - Saalfrank, Peter T1 - Cavity-altered thermal isomerization rates and dynamical resonant localization in vibro-polaritonic chemistry JF - The journal of chemical physics : bridges a gap between journals of physics and journals of chemistr N2 - It has been experimentally demonstrated that reaction rates for molecules embedded in microfluidic optical cavities are altered when compared to rates observed under "ordinary" reaction conditions. However, precise mechanisms of how strong coupling of an optical cavity mode to molecular vibrations affects the reactivity and how resonance behavior emerges are still under dispute. In the present work, we approach these mechanistic issues from the perspective of a thermal model reaction, the inversion of ammonia along the umbrella mode, in the presence of a single-cavity mode of varying frequency and coupling strength. A topological analysis of the related cavity Born-Oppenheimer potential energy surface in combination with quantum mechanical and transition state theory rate calculations reveals two quantum effects, leading to decelerated reaction rates in qualitative agreement with experiments: the stiffening of quantized modes perpendicular to the reaction path at the transition state, which reduces the number of thermally accessible reaction channels, and the broadening of the barrier region, which attenuates tunneling. We find these two effects to be very robust in a fluctuating environment, causing statistical variations of potential parameters, such as the barrier height. Furthermore, by solving the time-dependent Schrodinger equation in the vibrational strong coupling regime, we identify a resonance behavior, in qualitative agreement with experimental and earlier theoretical work. The latter manifests as reduced reaction probability when the cavity frequency omega(c) is tuned resonant to a molecular reactant frequency. We find this effect to be based on the dynamical localization of the vibro-polaritonic wavepacket in the reactant well. Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1063/5.0076434 SN - 0021-9606 SN - 1089-7690 VL - 156 IS - 15 PB - American Institute of Physics CY - Melville, NY ER - TY - THES A1 - Haakh, Harald Richard T1 - Cavity QED with superconductors and its application to the Casimir effect N2 - Diese Diplomarbeit untersucht den Casimir-Effekt zwischen normal- und supraleitenden Platten über einen weiten Temperaturbereich, sowie die Casimir-Polder-Wechselwirkung zwischen einem Atom und einer solchen Oberfläche. Hierzu wurden vorwiegend numerische und asymptotische Rechnungen durchgeführt. Die optischen Eigenschaften der Oberflächen werden dann aus dielektrischen Funktionen oder optischen Leitfähigkeiten erhalten. Wichtige Modellen werden vorgestellt und insbesondere im Hinblick auf ihre analytischen und kausalen Eigenschaften untersucht. Es wird vorgestellt, wie sich die Casimir-Energie zwischen zwei normalleitenden Platten berechnen lässt. Frühere Arbeiten über den in allen metallischen Kavitäten vorhandenen Beitrag von Oberflächenplasmonen zur Casimir-Wechselwirkung wurden zum ersten mal auf endliche Temperaturen erweitert. Für Supraleiter wird eine analytische Fortsetzung der BCS-Leitfähigkeiten zu rein imaginären Frequenzen, sowohl innerhalb wie außerhalb des schmutzigen Grenzfalles verschwindender mittlerer freier Weglänge vorgestellt. Es wird gezeigt, dass die aus dieser neuen Beschreibung erhaltene freie Casimir-Energie in bestimmten Bereichen der Materialparameter hervorragend mit der im Rahmen des Zwei-Fluid-Modells für den Supraleiter berechneten übereinstimmt. Die Casimir-Entropie einer supraleitenden Kavität erfüllt den Nernstschen Wärmesatz und weist einen charakteristischen Sprung beim Erreichen des supraleitenden Phasenübergangs auf. Diese Effekte treten ebenfalls in der magnetischen Casimir-Polder-Wechselwirkung eines Atoms mit einer supraleitenden Oberfläche auf. Es wird ferner gezeigt, dass die magnetische Dipol-Wechselwirkung eines Atomes mit einem Metall sehr stark von den dissipativen Eigenschaften und insbesondere von den Oberflächenströmen abhängt. Dies führt zu einer starken Unterdrückung der magnetischen Casimir-Polder-Energie bei endlichen Temperaturen und Abständen oberhalb der thermischen Wellenlänge. Die Casimir-Polder-Entropie verletzt in einigen Modellen den Nernstschen Wärmesatz.Ähnliche Effekte werden für den Casimir-Effekt zwischen Platten kontrovers diskutiert. In den entsprechenden elektrischen Dipol-Wechselwirkungen tritt keiner dieser Effekte auf. Die Ergebnisse dieser Arbeit legen nahe, das bekannte Plasma-Modells als Grenzfall eines Supraleiters bei niedrigen Temperaturen (bekannt als London-Theorie) zu betrachten, statt als Beschreibung eines normales Metalles. Supraleiter bieten die Möglichkeit, die Dissipation der Oberflächenströme in hohem Maße zu steuern. Dies könnte einen experimentellen Zugang zu den optischen Eigenschaften von Metallen bei niedrigen Frequenzen erlauben, die eng mit dem thermischen Casimir-Effekt verknüpft sind. Anders als in entsprechenden Mikrowellen-Experimenten sind hierbei die Energien und Impulse unabhängige Größen. Die Messung der Oberflächenwechselwirkung zwischen Atomen und Supraleitern ist mit den heute verfügbaren Atomfallen auf Mikrochips möglich und der magnetische Anteil der Wechselwirkung sollte spektroskopischen Techniken zugänglich sein N2 - This thesis investigates the Casimir effect between plates made of normal and superconducting metals over a broad range of temperatures, as well as the Casimir-Polder interaction of an atom to such a surface. Numerical and asymptotical calculations have been the main tools in order to do so. The optical properties of the surfaces are described by dielectric functions or optical conductivities, which are reviewed for common models and have been analyzed with special weight on distributional properties and causality. The calculation of the Casimir energy between two normally conducting plates (cavity) is reviewed and previous work on the contribution to the Casimir energy due to the surface plasmons, present in all metallic cavities, has been generalized to finite temperatures for the first time. In the field of superconductivity, a new analytical continuation of the BCS conductivity to to purely imaginary frequencies has been obtained both inside and outside the extremely dirty limit of vanishing mean free path. The Casimir free energy calculated from this description was shown to coincide well with the values obtained from the two fluid model of superconductivity in certain regimes of the material parameters. The Casimir entropy in a superconducting cavity fulfills the third law of thermodynamics and features a characteristic discontinuity at the phase transition temperature. These effects were equally encountered in the Casimir-Polder interaction of an atom with a superconducting wall. The magnetic dipole coupling of an atom to a metal was shown to be highly sensible to dissipation and especially to the surface currents. This leads to a strong quenching of the magnetic Casimir-Polder energy at finite temperature. Violations of the third law of thermodynamics are encountered in special models, similar to phenomena in the Casimir-effect between two plates, that are debated controversely. None of these effects occurs in the analog electric dipole interaction. The results of this work suggest to reestablish the well-known plasma model as the low temperature limit of a superconductor as in London theory rather than use it for the description of normal metals. Superconductors offer the opportunity to control the dissipation of surface currents to a great extent. This could be used to access experimentally the low frequency optical response of metals, which is strongly connected to the thermal Casimir-effect. Here, differently from corresponding microwave experiments, energy and momentum are independent quantities. A measurement of the total Casimir-Polder interaction of atoms with superconductors seems to be in reach in today’s microchip-based atom-traps and the contribution due to magnetic coupling might be accessed by spectroscopic techniques KW - Vakuumwechselwirkung KW - Casimir-Effekt KW - Casimir-Polder Wechselwirkung KW - Supraleiter KW - Metall KW - Vacuum interaction KW - Casimir effect KW - Casimir-Polder interaction KW - superconductor KW - Metal Y1 - 2009 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-32564 ER - TY - JOUR A1 - Ye, S. -Y. A1 - Kurth, William S. A1 - Hospodarsky, George B. A1 - Persoon, Ann M. A1 - Gurnett, Don A. A1 - Morooka, Michiko A1 - Wahlund, Jan-Erik A1 - Hsu, Hsiang-Wen A1 - Seiss, Martin A1 - Srama, Ralf T1 - Cassini RPWS dust observation near the Janus/Epimetheus orbit JF - Journal of geophysical research : Space physics N2 - During the Ring Grazing orbits near the end of Cassini mission, the spacecraft crossed the equatorial plane near the orbit of Janus/Epimetheus (similar to 2.5 Rs). This region is populated with dust particles that can be detected by the Radio and Plasma Wave Science (RPWS) instrument via an electric field antenna signal. Analysis of the voltage waveforms recorded on the RPWS antennas provides estimations of the density and size distribution of the dust particles. Measured RPWS profiles, fitted with Lorentzian functions, are shown to be mostly consistent with the Cosmic Dust Analyzer, the dedicated dust instrument on board Cassini. The thickness of the dusty ring varies between 600 and 1,000 km. The peak location shifts north and south within 100 km of the ring plane, likely a function of the precession phase of Janus orbit. KW - Saturn KW - dust KW - ring Y1 - 2018 U6 - https://doi.org/10.1029/2017JA025112 SN - 2169-9380 SN - 2169-9402 VL - 123 IS - 6 SP - 4952 EP - 4960 PB - American Geophysical Union CY - Washington ER - TY - THES A1 - Schiefele, Jürgen T1 - Casimir-Polder interaction in second quantization T1 - Casimir-Polder Wechselwirkung in zweiter Quantisierung N2 - The Casimir-Polder interaction between a single neutral atom and a nearby surface, arising from the (quantum and thermal) fluctuations of the electromagnetic field, is a cornerstone of cavity quantum electrodynamics (cQED), and theoretically well established. Recently, Bose-Einstein condensates (BECs) of ultracold atoms have been used to test the predictions of cQED. The purpose of the present thesis is to upgrade single-atom cQED with the many-body theory needed to describe trapped atomic BECs. Tools and methods are developed in a second-quantized picture that treats atom and photon fields on the same footing. We formulate a diagrammatic expansion using correlation functions for both the electromagnetic field and the atomic system. The formalism is applied to investigate, for BECs trapped near surfaces, dispersion interactions of the van der Waals-Casimir-Polder type, and the Bosonic stimulation in spontaneous decay of excited atomic states. We also discuss a phononic Casimir effect, which arises from the quantum fluctuations in an interacting BEC. N2 - Die durch (quantenmechanische und thermische) Fluktuationen des elektromagnetischen Feldes hervorgerufene Casimir-Polder-Wechselwirkung zwischen einem elektrisch neutralen Atom und einer benachbarten Oberfläche stellt einen theoretisch gut untersuchten Aspekt der Resonator-Quantenelektrodynamik (cavity quantum electrodynamics, cQED) dar. Seit kurzem werden atomare Bose-Einstein-Kondensate (BECs) verwendet, um die theoretischen Vorhersagen der cQED zu überprüfen. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die bestehende cQED Theorie für einzelne Atome mit den Techniken der Vielteilchenphysik zur Beschreibung von BECs zu verbinden. Es werden Werkzeuge und Methoden entwickelt, um sowohl Photon- als auch Atom-Felder gleichwertig in zweiter Quantisierung zu beschreiben. Wir formulieren eine diagrammatische Störungstheorie, die Korrelationsfunktionen des elektromagnetischen Feldes und des Atomsystems benutzt. Der Formalismus wird anschließend verwendet, um für in Fallen nahe einer Oberfläche gehaltene BECs Atom-Oberflächen-Wechselwirkungen vom Casimir-Polder-Typ und die bosonische Stimulation des spontanen Zerfalls angeregter Atome zu untersuchen. Außerdem untersuchen wir einen phononischen Casimir-Effekt, der durch die quantenmechanischen Fluktuationen in einem wechselwirkenden BEC entsteht. KW - Hohlraum-Quantenelektrodynamik KW - Bose-Einstein-Kondensation KW - Casimir-Polder-Interaktion KW - Vakuumschwankungen KW - van der Waals-Kräfte KW - cavity quantum electrodynamics KW - Bose-Einstein condensation KW - Casimir-Polder interaction KW - vacuum fluctuations KW - van der Waals forces Y1 - 2011 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-54171 ER - TY - JOUR A1 - Varghese, Alan J. A1 - Chechkin, Aleksei A1 - Metzler, Ralf A1 - Sujith, Raman I. T1 - Capturing multifractality of pressure fluctuations in thermoacoustic systems using fractional-order derivatives JF - Chaos : an interdisciplinary journal of nonlinear science N2 - The stable operation of a turbulent combustor is not completely silent; instead, there is a background of small amplitude aperiodic acoustic fluctuations known as combustion noise. Pressure fluctuations during this state of combustion noise are multifractal due to the presence of multiple temporal scales that contribute to its dynamics. However, existing models are unable to capture the multifractality in the pressure fluctuations. We conjecture an underlying fractional dynamics for the thermoacoustic system and obtain a fractional-order model for pressure fluctuations. The data from this model has remarkable visual similarity to the experimental data and also has a wide multifractal spectrum during the state of combustion noise. Quantitative similarity with the experimental data in terms of the Hurst exponent and the multifractal spectrum is observed during the state of combustion noise. This model is also able to produce pressure fluctuations that are qualitatively similar to the experimental data acquired during intermittency and thermoacoustic instability. Furthermore, we argue that the fractional dynamics vanish as we approach the state of thermoacoustic instability. Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.1063/5.0032585 SN - 1054-1500 SN - 1089-7682 VL - 31 IS - 3 PB - American Institute of Physics, AIP CY - Melville ER - TY - INPR A1 - Jansen, Wolfgang T1 - CANDYS/QA : algorithms, programs, and user‘s manual N2 - Contents: I. Algorithms 1. Theoretical Backround 2. Numerical Procedures 3. Graph Representation of the Solutions 4. Applications and Example II. Users' Manual 5. About the Program 6. The Course of a Qualitative Analysis 7. The Model Module 8. Input description 9. Output Description 10. Example 11. Graphics T3 - NLD Preprints - 27 Y1 - 1995 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-13920 ER - TY - JOUR A1 - Ulbricht, Alexander A1 - Mohr, Gunther A1 - Altenburg, Simon J. A1 - Oster, Simon A1 - Maierhofer, Christiane A1 - Bruno, Giovanni T1 - Can potential defects in LPBF be healed from the laser exposure of subsequent layers? BT - A quantitative study JF - Metals : open access journal N2 - Additive manufacturing (AM) of metals and in particular laser powder bed fusion (LPBF) enables a degree of freedom in design unparalleled by conventional subtractive methods. To ensure that the designed precision is matched by the produced LPBF parts, a full understanding of the interaction between the laser and the feedstock powder is needed. It has been shown that the laser also melts subjacent layers of material underneath. This effect plays a key role when designing small cavities or overhanging structures, because, in these cases, the material underneath is feed-stock powder. In this study, we quantify the extension of the melt pool during laser illumination of powder layers and the defect spatial distribution in a cylindrical specimen. During the LPBF process, several layers were intentionally not exposed to the laser beam at various locations, while the build process was monitored by thermography and optical tomography. The cylinder was finally scanned by X-ray computed tomography (XCT). To correlate the positions of the unmolten layers in the part, a staircase was manufactured around the cylinder for easier registration. The results show that healing among layers occurs if a scan strategy is applied, where the orientation of the hatches is changed for each subsequent layer. They also show that small pores and surface roughness of solidified material below a thick layer of unmolten material (>200 mu m) serve as seeding points for larger voids. The orientation of the first two layers fully exposed after a thick layer of unmolten powder shapes the orientation of these voids, created by a lack of fusion. KW - selective laser melting (SLM) KW - additive manufacturing (AM) KW - process KW - monitoring KW - infrared thermography KW - optical tomography KW - X-ray computed KW - tomography (XCT) KW - healing KW - in situ monitoring Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.3390/met11071012 SN - 2075-4701 VL - 11 IS - 7 PB - MDPI CY - Basel ER - TY - JOUR A1 - Shen, Z. A1 - Diercke, Andrea A1 - Denker, Carsten T1 - Calibration of full-disk He i 10 830 angstrom filtergrams of the Chromospheric Telescope JF - Astronomische Nachrichten = Astronomical notes N2 - The Chromospheric Telescope (ChroTel) is a small 10-cm robotic telescope at Observatorio del Teide on Tenerife (Spain), which observes the entire sun in Hα, Ca ii K, and He i 10 830 Å. We present a new calibration method that includes limb-darkening correction, removal of nonuniform filter transmission, and determination of He i Doppler velocities. Chromospheric full-disk filtergrams are often obtained with Lyot filters, which may display nonuniform transmission causing large-scale intensity variations across the solar disk. Removal of a 2D symmetric limb-darkening function from full-disk images results in a flat background. However, transmission artifacts remain and are even more distinct in these contrast-enhanced images. Zernike polynomials are uniquely appropriate to fit these large-scale intensity variations of the background. The Zernike coefficients show a distinct temporal evolution for ChroTel data, which is likely related to the telescope's alt-azimuth mount that introduces image rotation. In addition, applying this calibration to sets of seven filtergrams that cover the He i triplet facilitates the determination of chromospheric Doppler velocities. To validate the method, we use three datasets with varying levels of solar activity. The Doppler velocities are benchmarked with respect to cotemporal high-resolution spectroscopic data of the GREGOR Infrared Spectrograph (GRIS). Furthermore, this technique can be applied to ChroTel Hα and Ca ii K data. The calibration method for ChroTel filtergrams can be easily adapted to other full-disk data exhibiting unwanted large-scale variations. The spectral region of the He i triplet is a primary choice for high-resolution near-infrared spectropolarimetry. Here, the improved calibration of ChroTel data will provide valuable context data. KW - methods: Data analysis KW - methods: Observational KW - Sun: Chromosphere KW - techniques: Image processing Y1 - 2019 U6 - https://doi.org/10.1002/asna.201813536 SN - 0004-6337 SN - 1521-3994 VL - 339 IS - 9-10 SP - 661 EP - 671 PB - Wiley-VCH CY - Weinheim ER - TY - THES A1 - Zheng, Chunming T1 - Bursting and synchronization in noisy oscillatory systems T1 - Bursting und Synchronisation in verrauschten, oszillierenden Systemen N2 - Noise is ubiquitous in nature and usually results in rich dynamics in stochastic systems such as oscillatory systems, which exist in such various fields as physics, biology and complex networks. The correlation and synchronization of two or many oscillators are widely studied topics in recent years. In this thesis, we mainly investigate two problems, i.e., the stochastic bursting phenomenon in noisy excitable systems and synchronization in a three-dimensional Kuramoto model with noise. Stochastic bursting here refers to a sequence of coherent spike train, where each spike has random number of followers due to the combined effects of both time delay and noise. Synchronization, as a universal phenomenon in nonlinear dynamical systems, is well illustrated in the Kuramoto model, a prominent model in the description of collective motion. In the first part of this thesis, an idealized point process, valid if the characteristic timescales in the problem are well separated, is used to describe statistical properties such as the power spectral density and the interspike interval distribution. We show how the main parameters of the point process, the spontaneous excitation rate, and the probability to induce a spike during the delay action can be calculated from the solutions of a stationary and a forced Fokker-Planck equation. We extend it to the delay-coupled case and derive analytically the statistics of the spikes in each neuron, the pairwise correlations between any two neurons, and the spectrum of the total output from the network. In the second part, we investigate the three-dimensional noisy Kuramoto model, which can be used to describe the synchronization in a swarming model with helical trajectory. In the case without natural frequency, the Kuramoto model can be connected with the Vicsek model, which is widely studied in collective motion and swarming of active matter. We analyze the linear stability of the incoherent state and derive the critical coupling strength above which the incoherent state loses stability. In the limit of no natural frequency, an exact self-consistent equation of the mean field is derived and extended straightforward to any high-dimensional case. N2 - Rauschen ist in der Natur allgegenwärtig und führt zu einer reichen Dynamik in stochastischen Systemen von gekoppelten Oszillatoren, die in so unterschiedlichen Bereichen wie Physik, Biologie und in komplexen Netzwerken existieren. Korrelation und Synchronisation von zwei oder vielen Oszillatoren ist in den letzten Jahren ein aktives Forschungsfeld. In dieser Arbeit untersuchen wir hauptsächlich zwei Probleme, d.h. das stochastische Burst-Phänomen in verrauschten anregbaren Systemen und die Synchronisation in einem dreidimensionalen Kuramoto-Modell mit Rauschen. Stochastisches Bursting bezieht sich hier auf eine Folge von kohärenten Spike-Zügen, bei denen jeder Spike aufgrund der kombinierten Effekte von Zeitverzögerung und Rauschen eine zufällige Anzahl von Folge Spikes aufweist. Die Synchronisation als universelles Phänomen in nichtlinearen dynamischen Systemen kann anhand des Kuramoto-Modells, einem grundlegenden Modell bei der gekoppelter Oszillatoren und kollektiver Bewegung, gut demonstriert und analysiert werden. Im ersten Teil dieser Arbeit wird ein idealisierter Punktprozess betrachtet, der gültig ist, wenn die charakteristischen Zeitskalen im Problem gut voneinander getrennt sind,um statistische Eigenschaften wie die spektrale Leistungsdichte und die Intervallverteilung zwischen Neuronen Impulsen zu beschreiben. Wir zeigen, wie die Hauptparameter des Punktprozesses, die spontane Anregungsrate und die Wahrscheinlichkeit, während der Verzögerungsaktion einen Impuls zu induzieren, aus den Lösungen einer stationären und einer getriebenen Fokker-Planck-Gleichung berechnet werden können. Wir erweitern dieses Ergebnis auf den verzögerungsgekoppelten Fall und leiten analytisch die Statistiken der Impulse in jedem Neuron, die paarweisen Korrelationen zwischen zwei beliebigen Neuronen und das Spektrum der Zeitreihe alle Impulse aus dem Netzwerk ab. Im zweiten Teil untersuchen wir das dreidimensionale verrauschte Kuramoto-Modell, mit dem die Synchronisation eines Schwarmmodells mit schraubenförmigen Flugbahnen beschrieben werden kann. Im Fall ohne Eigenfrequenz jedes Teilchensist das System äquivalent zum Vicsek Modell, welches in der Beschreibung der kollektiven Bewegung von Schwärmen und aktiver Materie eine breite Anwendung findet. Wir analysieren die lineare Stabilität des inkohärenten Zustands und leiten die kritische Kopplungsstärke ab, oberhalb derer der inkohärente Zustand an Stabilität verliert. Im Fall ohne Eigenfrequenz wird eine exakte selbstkonsistente Gleichung für das mittlere Feld abgeleitet und direkt für höherdimensionale Bewegungen verallgemeinert. KW - Synchronization KW - Kuramoto model KW - Oscillation KW - stochastic bursting KW - Synchronisation KW - Kuramoto-Modell KW - Oszillatoren KW - Stochastisches Bursting Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-500199 ER - TY - JOUR A1 - Franović, Igor A1 - Omel'chenko, Oleh A1 - Wolfrum, Matthias T1 - Bumps, chimera states, and Turing patterns in systems of coupled active rotators JF - Physical review : E, Statistical, nonlinear and soft matter physics N2 - Self-organized coherence-incoherence patterns, called chimera states, have first been reported in systems of Kuramoto oscillators. For coupled excitable units, similar patterns where coherent units are at rest are called bump states. Here, we study bumps in an array of active rotators coupled by nonlocal attraction and global repulsion. We demonstrate how they can emerge in a supercritical scenario from completely coherent Turing patterns: a single incoherent unit appears in a homoclinic bifurcation, undergoing subsequent transitions to quasiperiodic and chaotic behavior, which eventually transforms into extensive chaos with many incoherent units. We present different types of transitions and explain the formation of coherence-incoherence patterns according to the classical paradigm of short-range activation and long-range inhibition. Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.1103/PhysRevE.104.L052201 SN - 2470-0045 SN - 2470-0053 VL - 104 IS - 5 PB - American Physical Society CY - College Park ER - TY - JOUR A1 - Emanuel, Marc D. A1 - Cherstvy, Andrey G. A1 - Metzler, Ralf A1 - Gompper, Gerhard T1 - Buckling transitions and soft-phase invasion of two-component icosahedral shells JF - Physical review / publ. by The American Physical Society. E, Statistical, nonlinear, and soft matter physics N2 - What is the optimal distribution of two types of crystalline phases on the surface of icosahedral shells, such as of many viral capsids? We here investigate the distribution of a thin layer of soft material on a crystalline convex icosahedral shell. We demonstrate how the shapes of spherical viruses can be understood from the perspective of elasticity theory of thin two-component shells. We develop a theory of shape transformations of an icosahedral shell upon addition of a softer, but still crystalline, material onto its surface. We show how the soft component "invades" the regions with the highest elastic energy and stress imposed by the 12 topological defects on the surface. We explore the phase diagram as a function of the surface fraction of the soft material, the shell size, and the incommensurability of the elastic moduli of the rigid and soft phases. We find that, as expected, progressive filling of the rigid shell by the soft phase starts from the most deformed regions of the icosahedron. With a progressively increasing soft-phase coverage, the spherical segments of domes are filled first (12 vertices of the shell), then the cylindrical segments connecting the domes (30 edges) are invaded, and, ultimately, the 20 flat faces of the icosahedral shell tend to be occupied by the soft material. We present a detailed theoretical investigation of the first two stages of this invasion process and develop a model of morphological changes of the cone structure that permits noncircular cross sections. In conclusion, we discuss the biological relevance of some structures predicted from our calculations, in particular for the shape of viral capsids. Y1 - 2020 U6 - https://doi.org/10.1103/PhysRevE.102.062104 SN - 2470-0045 SN - 2470-0053 SN - 2470-0061 SN - 1538-4519 VL - 102 IS - 6 PB - Woodbury CY - New York ER - TY - THES A1 - Baczyński, Krzysztof Konrad T1 - Buckling instabilities of semiflexible filaments in biological systems T1 - Knickinstabilitäten semiflexibler Filamente in biologischen Systemen N2 - In dieser Arbeit werden Knickinstabilitäten von Filamenten in biologischen Systemen untersucht. Das Zytoskelett von Zellen ist aus solchen Filamenten aufgebaut. Sie sind für die mechanische Stabilität der Zelle verantwortlich und spielen eine große Rolle bei intrazellulären Transportprozessen durch molekulare Motoren, die verschiedene Lasten wie beispielsweise Organellen entlang der Filamente des Zytoskeletts transportieren. Filamente sind semiflexible Polymere, deren Biegeenergie ähnlich groß ist wie die thermische Energie, so dass sie auch als elastische Balken auf der Nanoskala gesehen werden können, die signifikante thermische Fluktuationen zeigen. Wie ein makroskopischer elastischer Balken können auch Filamente eine mechanische Knickinstabilität unter Kompression zeigen. Im ersten Teil dieser Arbeit wird untersucht, wie diese Instabilität durch thermische Fluktuationen der Filamente beeinflusst wird. In Zellen können Kompressionskräfte durch molekulare Motoren erzeugt werden. Das geschieht zum Beispiel während der Zellteilung in der mitotischen Spindel. Im zweiten Teil der Arbeit untersuchen wir, wie die stochastische Natur einer von Motoren generierten Kraft die Knickinstabilität von Filamenten beeinflusst. Zunächst stellen wir kurz das Problem von Knickinstabilitäten auf der makroskopischen Skala dar und führen ein Modell für das Knicken von Filamenten oder elastischen Stäben in zwei Raumdimensionen und in Anwesenheit thermischer Fluktuationen ein. Wir präsentieren eine analytische Lösung für Knickinstabilitäten in Anwesenheit thermischer Fluktuationen, die auf einer Renormierungsgruppenrechnung im Rahmen des nichtlinearen Sigma-Models basiert. Wir integrieren die kurzwelligen Fluktuationen aus, um eine effektive Theorie für die langwelligen Moden zu erhalten, die die Knickinstabilität bestimmen. Wir berechnen die Änderung der kritischen Kraft für die Knickinstabilität und zeigen, dass die thermischen Fluktuationen in zwei Raumdimensionen zu einer Zunahme der kritischen Kraft führen. Außerdem zeigen wir, dass thermische Fluktuationen im geknickten Zustand zu einer Zunahme der mittleren projizierten Länge des Filaments in Richtung der wirkenden Kraft führen. Als Funktion der Konturlänge des Filaments besitzt die mittlere projizierte Länge eine Spitze an der Knickinstabilität, die durch thermische Fluktuationen abgerundet wird. Unser Hauptresultat ist die Beobachtung, dass ein geknicktes Filament unter dem Einfluss thermischer Fluktuationen gestreckt wird, d.h. dass seine mittlere projizierte Länge in Richtung der Kompressionskraft auf Grund der thermischen Fluktuationen zunimmt. Unsere analytischen Resultate werden durch Monte-Carlo Simulationen der Knickinstabilität semiflexibler Filamente in zwei Raumdimensionen bestätigt. Wir führen auch Monte-Carlo Simulationen in höheren Raumdimensionen durch und zeigen, dass die Zunahme der projizierten Länge unter dem Einfluss thermischer Fluktuationen weniger ausgeprägt ist und stark von der Wahl der Randbedingungen abhängt. Im zweiten Teil der Arbeit formulieren wir ein Modell für die Knickinstabilität semiflexibler Filamente unter dem Einfluss molekularer Motoren. Wir untersuchen ein System, in dem sich eine Gruppe von Motoren entlang eines fixierten Filaments bewegt, und dabei ein zweites Filament als Last trägt. Das Last-Filament wird gegen eine Wand gedrückt und knickt. Während des Knickvorgangs können die Motoren, die die Kraft auf das Filament generieren, stochastisch von dem Filament ab- und an das Filament anbinden. Wir formulieren ein stochastisches Model für dieses System und berechnen die “mean first passage time“, d.h. die mittlere Zeit für den Übergang von einem Zustand, in dem alle Motoren gebundenen sind zu einem Zustand, in dem alle Motoren abgebunden sind. Dieser Übergang entspricht auch einem Übergang aus dem gebogenen zurück in einen ungebogenen Zustand des Last-Filaments. Unser Resultat zeigt, dass für genügend kurze Mikrotubuli die Bewegung der Motoren von der durch das Last-Filament generierten Kraft beeinflusst wird. Diese Ergebnisse können in zukünftigen Experimenten überprüft werden. N2 - We study buckling instabilities of filaments in biological systems. Filaments in a cell are the building blocks of the cytoskeleton. They are responsible for the mechanical stability of cells and play an important role in intracellular transport by molecular motors, which transport cargo such as organelles along cytoskeletal filaments. Filaments of the cytoskeleton are semiflexible polymers, i.e., their bending energy is comparable to the thermal energy such that they can be viewed as elastic rods on the nanometer scale, which exhibit pronounced thermal fluctuations. Like macroscopic elastic rods, filaments can undergo a mechanical buckling instability under a compressive load. In the first part of the thesis, we study how this buckling instability is affected by the pronounced thermal fluctuations of the filaments. In cells, compressive loads on filaments can be generated by molecular motors. This happens, for example, during cell division in the mitotic spindle. In the second part of the thesis, we investigate how the stochastic nature of such motor-generated forces influences the buckling behavior of filaments. In chapter 2 we review briefly the buckling instability problem of rods on the macroscopic scale and introduce an analytical model for buckling of filaments or elastic rods in two spatial dimensions in the presence of thermal fluctuations. We present an analytical treatment of the buckling instability in the presence of thermal fluctuations based on a renormalization-like procedure in terms of the non-linear sigma model where we integrate out short-wavelength fluctuations in order to obtain an effective theory for the mode of the longest wavelength governing the buckling instability. We calculate the resulting shift of the critical force by fluctuation effects and find that, in two spatial dimensions, thermal fluctuations increase this force. Furthermore, in the buckled state, thermal fluctuations lead to an increase in the mean projected length of the filament in the force direction. As a function of the contour length, the mean projected length exhibits a cusp at the buckling instability, which becomes rounded by thermal fluctuations. Our main result is the observation that a buckled filament is stretched by thermal fluctuations, i.e., its mean projected length in the direction of the applied force increases by thermal fluctuations. Our analytical results are confirmed by Monte Carlo simulations for buckling of semiflexible filaments in two spatial dimensions. We also perform Monte Carlo simulations in higher spatial dimensions and show that the increase in projected length by thermal fluctuations is less pronounced than in two dimensions and strongly depends on the choice of the boundary conditions. In the second part of this work, we present a model for buckling of semiflexible filaments under the action of molecular motors. We investigate a system in which a group of motors moves along a clamped filament carrying a second filament as a cargo. The cargo-filament is pushed against the wall and eventually buckles. The force-generating motors can stochastically unbind and rebind to the filament during the buckling process. We formulate a stochastic model of this system and calculate the mean first passage time for the unbinding of all linking motors which corresponds to the transition back to the unbuckled state of the cargo filament in a mean-field model. Our results show that for sufficiently short microtubules the movement of kinesin-I-motors is affected by the load force generated by the cargo filament. Our predictions could be tested in future experiments. KW - Polymere KW - Filament KW - Elastizität KW - Knickinstabilität KW - molekulare Motoren KW - Polymers KW - filaments KW - elasticity KW - buckling KW - molecular motors Y1 - 2009 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-37927 ER - TY - JOUR A1 - Metzler, Ralf T1 - Brownian motion and beyond: first-passage, power spectrum, non-Gaussianity, and anomalous diffusion JF - Journal of statistical mechanics: theory and experiment N2 - Brownian motion is a ubiquitous physical phenomenon across the sciences. After its discovery by Brown and intensive study since the first half of the 20th century, many different aspects of Brownian motion and stochastic processes in general have been addressed in Statistical Physics. In particular, there now exists a very large range of applications of stochastic processes in various disciplines. Here we provide a summary of some of the recent developments in the field of stochastic processes, highlighting both the experimental findings and theoretical frameworks. KW - 15 KW - 4 Y1 - 2019 U6 - https://doi.org/10.1088/1742-5468/ab4988 SN - 1742-5468 VL - 2019 IS - 11 PB - IOP Publ. Ltd. CY - Bristol ER - TY - JOUR A1 - Dai, Xiaolin A1 - Böker, Alexander A1 - Glebe, Ulrich T1 - Broadening the scope of sortagging JF - RSC Advances N2 - Sortases are enzymes occurring in the cell wall of Gram-positive bacteria. Sortase A (SrtA), the best studied sortase class, plays a key role in anchoring surface proteins with the recognition sequence LPXTG covalently to oligoglycine units of the bacterial cell wall. This unique transpeptidase activity renders SrtA attractive for various purposes and motivated researchers to study multiple in vivo and in vitro ligations in the last decades. This ligation technique is known as sortase-mediated ligation (SML) or sortagging and developed to a frequently used method in basic research. The advantages are manifold: extremely high substrate specificity, simple access to substrates and enzyme, robust nature and easy handling of sortase A. In addition to the ligation of two proteins or peptides, early studies already included at least one artificial (peptide equipped) substrate into sortagging reactions - which demonstrates the versatility and broad applicability of SML. Thus, SML is not only a biology-related technique, but has found prominence as a major interdisciplinary research tool. In this review, we provide an overview about the use of sortase A in interdisciplinary research, mainly for protein modification, synthesis of protein-polymer conjugates and immobilization of proteins on surfaces. Y1 - 2019 U6 - https://doi.org/10.1039/c8ra06705h SN - 2046-2069 VL - 9 IS - 9 SP - 4700 EP - 4721 PB - Royal Society of Chemistry CY - Cambridge ER - TY - THES A1 - Ohme, Frank T1 - Bridging the gap between post-Newtonian theory and numerical relativity in gravitational-wave data analysis T1 - Die Verbindung von post-Newtonscher Theorie und Numerischer Relativitätstheorie in der Gravitationswellenanalyse N2 - One of the most exciting predictions of Einstein's theory of gravitation that have not yet been proven experimentally by a direct detection are gravitational waves. These are tiny distortions of the spacetime itself, and a world-wide effort to directly measure them for the first time with a network of large-scale laser interferometers is currently ongoing and expected to provide positive results within this decade. One potential source of measurable gravitational waves is the inspiral and merger of two compact objects, such as binary black holes. Successfully finding their signature in the noise-dominated data of the detectors crucially relies on accurate predictions of what we are looking for. In this thesis, we present a detailed study of how the most complete waveform templates can be constructed by combining the results from (A) analytical expansions within the post-Newtonian framework and (B) numerical simulations of the full relativistic dynamics. We analyze various strategies to construct complete hybrid waveforms that consist of a post-Newtonian inspiral part matched to numerical-relativity data. We elaborate on exsisting approaches for nonspinning systems by extending the accessible parameter space and introducing an alternative scheme based in the Fourier domain. Our methods can now be readily applied to multiple spherical-harmonic modes and precessing systems. In addition to that, we analyze in detail the accuracy of hybrid waveforms with the goal to quantify how numerous sources of error in the approximation techniques affect the application of such templates in real gravitational-wave searches. This is of major importance for the future construction of improved models, but also for the correct interpretation of gravitational-wave observations that are made utilizing any complete waveform family. In particular, we comprehensively discuss how long the numerical-relativity contribution to the signal has to be in order to make the resulting hybrids accurate enough, and for currently feasible simulation lengths we assess the physics one can potentially do with template-based searches. N2 - Eine der aufregendsten Vorhersagen aus Einsteins Gravitationstheorie, die bisher noch nicht direkt durch ein Experiment nachgewiesen werden konnten, sind Gravitationswellen. Dies sind winzige Verzerrungen der Raumzeit selbst, und es wird erwartet, dass das aktuelle Netzwerk von groß angelegten Laserinterferometern im kommenden Jahrzehnt die erste direkte Gravitationswellenmessung realisieren kann. Eine potentielle Quelle von messbaren Gravitationswellen ist das Einspiralen und Verschmelzen zweier kompakter Objekte, wie z.B. ein Binärsystem von Schwarzen Löchern. Die erfolgreiche Identifizierung ihrer charakteristischen Signatur im Rausch-dominierten Datenstrom der Detektoren hängt allerdings entscheidend von genauen Vorhersagen ab, was wir eigentlich suchen. In dieser Arbeit wird detailliert untersucht, wie die komplettesten Wellenformenmodelle konstruiert werden können, indem die Ergebnisse von (A) analytischen Entwicklungen im post-Newtonschen Verfahren und (B) numerische Simulationen der voll-relativistischen Bewegungen verknüpft werden. Es werden verschiedene Verfahren zur Erstellung solcher "hybriden Wellenformen", bei denen der post-Newtonsche Teil mit numerischen Daten vervollständigt wird, analysiert. Existierende Strategien für nicht-rotierende Systeme werden vertieft und der beschriebene Parameterraum erweitert. Des Weiteren wird eine Alternative im Fourierraum eingeführt. Die entwickelten Methoden können nun auf multiple sphärisch-harmonische Moden und präzedierende Systeme angewandt werden. Zusätzlich wird die Genauigkeit der hybriden Wellenformen mit dem Ziel analysiert, den Einfluss verschiedener Fehlerquellen in den Näherungstechniken zu quantifizieren und die resultierenden Einschränkungen bei realen Anwendungen abzuschätzen. Dies ist von größter Bedeutung für die zukünftige Entwicklung von verbesserten Modellen, aber auch für die korrekte Interpretation von Gravitationswellenbeobachtungen, die auf Grundlage solcher Familien von Wellenformen gemacht worden sind. Insbesondere wird diskutiert, wie lang der numerische Anteil des Signals sein muss, um die Hybride genau genug konstruieren zu können. Für die aktuell umsetzbaren Simulationslängen wird die Physik eingeschätzt, die mit Hilfe von Modell-basierten Suchen potentiell untersucht werden kann. KW - Schwarze Löcher KW - Gravitationswellen KW - Numerische Relativitätstheorie KW - Datenanalyse KW - Post-Newton KW - black holes KW - gravitational waves KW - numerical relativity KW - data analysis KW - post-Newton Y1 - 2012 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-60346 ER - TY - THES A1 - Ermilova, Elena T1 - Breitbandige dielektrische Charakterisierung biologisch relevanter Polymere Y1 - 2015 ER - TY - JOUR A1 - Bolotov, Maxim I. A1 - Smirnov, Lev A. A1 - Osipov, Grigory V. A1 - Pikovskij, Arkadij T1 - Breathing chimera in a system of phase oscillators JF - JETP Letters N2 - Chimera states consisting of synchronous and asynchronous domains in a medium of nonlinearly coupled phase oscillators have been considered. Stationary inhomogeneous solutions of the Ott-Antonsen equation for a complex order parameter that correspond to fundamental chimeras have been constructed. The direct numerical simulation has shown that these structures under certain conditions are transformed to oscillatory (breathing) chimera regimes because of the development of instability. Y1 - 2017 U6 - https://doi.org/10.1134/S0021364017180059 SN - 0021-3640 SN - 1090-6487 VL - 106 SP - 393 EP - 399 PB - Pleiades Publ. CY - New York ER - TY - JOUR A1 - Eckert, Sebastian A1 - Vaz da Cruz, Vinícius A1 - Ochmann, Miguel A1 - Ahnen, Inga von A1 - Föhlisch, Alexander A1 - Huse, Nils T1 - Breaking the symmetry of pyrimidine BT - solvent effects and core-excited state dynamics JF - The journal of physical chemistry letters N2 - Symmetry and its breaking crucially define the chemical properties of molecules and their functionality. Resonant inelastic X-ray scattering is a local electronic structure probe reporting on molecular symmetry and its dynamical breaking within the femtosecond scattering duration. Here, we study pyrimidine, a system from the C-2v point group, in an aqueous solution environment, using scattering though its 2a(2) resonance. Despite the absence of clean parity selection rules for decay transitions from in-plane orbitals, scattering channels including decay from the 7b(2) and 11a(1) orbitals with nitrogen lone pair character are a direct probe for molecular symmetry. Computed spectra of explicitly solvated molecules sampled from a molecular dynamics simulation are combined with the results of a quantum dynamical description of the X-ray scattering process. We observe dominant signatures of core-excited Jahn-Teller induced symmetry breaking for resonant excitation. Solvent contributions are separable by shortening of the effective scattering duration through excitation energy detuning. Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.1c01865 SN - 1948-7185 VL - 12 IS - 35 SP - 8637 EP - 8643 PB - American Chemical Society CY - Washington ER - TY - JOUR A1 - Reindl, Nicole A1 - Rauch, Thomas A1 - Miller Bertolami, Marcelo Miguel A1 - Todt, Helge Tobias A1 - Werner, K. T1 - Breaking news from the HST BT - the central star of the Stingray Nebula is now returning towards the AGB JF - Monthly notices of the Royal Astronomical Society N2 - SAO 244567 is a rare example of a star that allows us to witness stellar evolution in real time. Between 1971 and 1990, it changed from a B-type star into the hot central star of the Stingray Nebula. This observed rapid heating has been a mystery for decades, since it is in strong contradiction with the low mass of the star and canonical post-asymptotic giant branch (AGB) evolution. We speculated that SAO 244567 might have suffered from a late thermal pulse (LTP) and obtained new observations with Hubble Space Telescope (HST)/COS to follow the evolution of the surface properties of SAO 244567 and to verify the LTP hypothesis. Our non-LTE spectral analysis reveals that the star cooled significantly since 2002 and that its envelope is now expanding. Therefore, we conclude that SAO 244567 is currently on its way back towards the AGB, which strongly supports the LTP hypothesis. A comparison with state-of-the-art LTP evolutionary calculations shows that these models cannot fully reproduce the evolution of all surface parameters simultaneously, pointing out possible shortcomings of stellar evolution models. Thereby, SAO 244567 keeps on challenging stellar evolution theory and we highly encourage further investigations. KW - stars: AGB and post-AGB KW - stars: atmospheres KW - stars: evolution Y1 - 2016 U6 - https://doi.org/10.1093/mnrasl/slw175 SN - 0035-8711 SN - 1365-2966 VL - 464 SP - L51 EP - L55 PB - Oxford Univ. Press CY - Oxford ER - TY - THES A1 - Giesecke, André T1 - Box-Simulationen von rotierender Magnetokonvektion im flüssigen Erdkern T1 - Box simulations of rotating magnetoconvection in the earth's fluid core N2 - Box-Simulationen von rotierender Magnetokonvektion im flüssigen Erdkern Numerische Simulationen der 3D-MHD Gleichungen sind mit Hilfe des Codes NIRVANA durchgeführt worden. Die Gleichungen für kompressible rotierende Magnetokonvektion wurden für erdähnliche Bedingungen numerisch in einer kartesischen Box gelöst. Charakteristische Eigenschaften mittlerer Größen, wie der Turbulenz-Intensität oder der turbulente Wärmefluss, die durch die kombinierte Wirkung kleinskaliger Fluktuationen entstehen, wurden bestimmt. Die Korrelationslänge der Turbulenz hängt signifikant von der Stärke und der Orientierung des Magnetfeldes ab, und das anisotrope Verhalten der Turbulenz aufgrund von Coriolis- und Lorentzkraft ist für schnellere Rotation wesentlich stärker ausgeprägt. Die Ausbildung eines isotropen Verhaltens auf kleinen Skalen unter dem Einfluss von Rotation alleine wird bereits durch ein schwaches Magnetfeld verhindert. Dies resultiert in einer turbulenten Strömung, die durch die vertikale Komponente dominiert wird. In Gegenwart eines horizontalen Magnetfeldes nimmt der vertikale turbulente Wärmefluss leicht mit zunehmender Feldstärke zu, so dass die Kühlung eines rotierenden Systems verbessert wird. Der horizontale Wärmetransport ist stets westwärts und in Richtung der Pole orientiert. Letzteres kann unter Umständen die Quelle für eine großskalige meridionale Strömung darstellen, während erstes in globalen Simulationen mit nicht axialsymmetrischen Randbedingungen für den Wärmefluss von Bedeutung ist. Die mittlere elektromotorische Kraft, die die Erzeugung von magnetischem Fluss durch die Turbulenz beschreibt, wurde unmittelbar aus den Lösungen für Geschwindigkeit und Magnetfeld berechnet. Hieraus konnten die entsprechenden α-Koeffizienten hergeleitet werden. Aufgrund der sehr schwachen Dichtestratifizierung ändert der α-Effekt sein Vorzeichen nahezu exakt in der Mitte der Box. Der α-Effekt ist positiv in der oberen Hälfte und negativ in der unteren Hälfte einer auf der Nordhalbkugel rotierenden Box. Für ein starkes Magnetfeld ergibt sich zudem eine deutliche abwärts orientierte Advektion von magnetischem Fluss. Ein Mean-Field Modell des Geodynamos wurde konstruiert, das auf dem α-Effekt basiert, wie er aus den Box-Simulationen berechnet wurde. Für eine äußerst beschränkte Klasse von radialen α-Profilen weist das lineare α^2-Modell Oszillationen auf einer Zeitskala auf, die durch die turbulente Diffusionszeit bestimmt wird. Die wesentlichen Eigenschaften der periodischen Lösungen werden präsentiert, und der Einfluss der Größe des inneren Kerns auf die Charakteristiken des kritischen Bereichs, innerhalb dessen oszillierende Lösungen auftreten, wurden untersucht. Reversals werden als eine halbe Oszillation interpretiert. Sie sind ein recht seltenes Ereignis, da sie lediglich dann stattfinden können, wenn das α-Profil ausreichend lange in dem periodische Lösungen erlaubenden Bereich liegt. Aufgrund starker Fluktuationen auf der konvektiven Zeitskala ist die Wahrscheinlichkeit eines solchen Reversals relativ klein. In einem einfachen nicht-linearen Mean-Field Modell mit realistischen Eingabeparametern, die auf den Box-Simulationen beruhen, konnte die Plausibilität des Reversal-Modells anhand von Langzeitsimulationen belegt werden. N2 - Box-simulations of rotating magnetoconvection in the Earth's fluid core. Simulations of the 3D MHD-equations have been performed using the code NIRVANA. The equations for compressible rotating magnetoconvection are numerically solved in a Cartesian box assuming conditions roughly suitable for the geodynamo. The characteristics of averaged quantities like the turbulence intensity and the turbulent heat flux that are caused by the combined action of the small-scale fluctuations are computed. The correlation length of the turbulence significantly depends on the strength and orientation of the magnetic field and the anisotropic behavior of the turbulence intensity induced by Coriolis and Lorentz force is considerably more pronounced for faster rotation. The development of an isotropic behavior on the small scales -- as it is observed in pure rotating convection -- vanishes even for weak magnetic fields, which results in a turbulent flow that is dominated by the vertical component. In the presence of a horizontal magnetic field the vertical turbulent heat flux slightly increases with increasing field strength, so that cooling of the rotating system is facilitated. Horizontal transport of heat is always directed westwards and towards the poles. The latter might be a source of a large-scale meridional flow whereas the first would be important in global simulations in case of non-axisymmetric boundary conditions for the heat flux. The mean electromotive force describing the generation of mean magnetic flux by turbulence in the rotating fluid is directly calculated from the simulations and the corresponding α-coefficients are derived. Due to the very weak density stratification, the α-effect changes its sign in the middle of the box. It is positive at the top and negative at the bottom of the convective instable layer. For strong magnetic fields we also find a clear downward advection of the mean magnetic field. Finally the quenching behavior of the α-effect in dependence of the imposed magnetic field strength is presented. A geodynamo-model is constructed, which is based on an α-effect that has been computed from the box simulations. For a highly restricted class of radial α-profiles the linear α^2-model exhibits oscillating solutions on a timescale given by the turbulent diffusion time. The basic properties of the periodic solutions are presented and the influence of the inner core size on the characteristics of the critical range that allows for oscillating solutions is shown. Reversals are interpreted as half of such an oscillation. They are rather seldom events because they can only occur if the α-profile exists long enough within the small critical range that allows for periodic solutions. Due to strong fluctuations on the convective timescale the probability of such a reversal is very small. Finally, a simple non-linear mean-field model with reasonable input parameters based on the box-simulations demonstrates the plausibility of the presented theory with a long-time series of a (geo-)dynamo reversal sequence. KW - Geodynamo KW - Magnetokonvektion KW - Alpha-Effekt KW - MHD-Simulationen KW - Reversal KW - geodynamo KW - alpha-effect KW - magnetoconvection KW - MHD-Simulations KW - reversal Y1 - 2007 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-13605 ER -