TY - THES A1 - Reppert, Alexander von T1 - Magnetic strain contributions in laser-excited metals studied by time-resolved X-ray diffraction T1 - Untersuchung magnetischer Beiträge zur Ausdehnung laserangeregter Metalle mittels zeitaufgelöster Röntgenbeugungsexperimente N2 - In this work I explore the impact of magnetic order on the laser-induced ultrafast strain response of metals. Few experiments with femto- or picosecond time-resolution have so far investigated magnetic stresses. This is contrasted by the industrial usage of magnetic invar materials or magnetostrictive transducers for ultrasound generation, which already utilize magnetostrictive stresses in the low frequency regime. In the reported experiments I investigate how the energy deposition by the absorption of femtosecond laser pulses in thin metal films leads to an ultrafast stress generation. I utilize that this stress drives an expansion that emits nanoscopic strain pulses, so called hypersound, into adjacent layers. Both the expansion and the strain pulses change the average inter-atomic distance in the sample, which can be tracked with sub-picosecond time resolution using an X-ray diffraction setup at a laser-driven Plasma X-ray source. Ultrafast X-ray diffraction can also be applied to buried layers within heterostructures that cannot be accessed by optical methods, which exhibit a limited penetration into metals. The reconstruction of the initial energy transfer processes from the shape of the strain pulse in buried detection layers represents a contribution of this work to the field of picosecond ultrasonics. A central point for the analysis of the experiments is the direct link between the deposited energy density in the nano-structures and the resulting stress on the crystal lattice. The underlying thermodynamical concept of a Grüneisen parameter provides the theoretical framework for my work. I demonstrate how the Grüneisen principle can be used for the interpretation of the strain response on ultrafast timescales in various materials and that it can be extended to describe magnetic stresses. The class of heavy rare-earth elements exhibits especially large magnetostriction effects, which can even lead to an unconventional contraction of the laser-excited transducer material. Such a dominant contribution of the magnetic stress to the motion of atoms has not been demonstrated previously. The observed rise time of the magnetic stress contribution in Dysprosium is identical to the decrease in the helical spin-order, that has been found previously using time-resolved resonant X-ray diffraction. This indicates that the strength of the magnetic stress can be used as a proxy of the underlying magnetic order. Such magnetostriction measurements are applicable even in case of antiparallel or non-collinear alignment of the magnetic moments and a vanishing magnetization. The strain response of metal films is usually determined by the pressure of electrons and lattice vibrations. I have developed a versatile two-pulse excitation routine that can be used to extract the magnetic contribution to the strain response even if systematic measurements above and below the magnetic ordering temperature are not feasible. A first laser pulse leads to a partial ultrafast demagnetization so that the amplitude and shape of the strain response triggered by the second pulse depends on the remaining magnetic order. With this method I could identify a strongly anisotropic magnetic stress contribution in the magnetic data storage material iron-platinum and identify the recovery of the magnetic order by the variation of the pulse-to-pulse delay. The stark contrast of the expansion of iron-platinum nanograins and thin films shows that the different constraints for the in-plane expansion have a strong influence on the out-of-plane expansion, due to the Poisson effect. I show how such transverse strain contributions need to be accounted for when interpreting the ultrafast out-of-plane strain response using thermal expansion coefficients obtained in near equilibrium conditions. This work contributes an investigation of magnetostriction on ultrafast timescales to the literature of magnetic effects in materials. It develops a method to extract spatial and temporal varying stress contributions based on a model for the amplitude and shape of the emitted strain pulses. Energy transfer processes result in a change of the stress profile with respect to the initial absorption of the laser pulses. One interesting example occurs in nanoscopic gold-nickel heterostructures, where excited electrons rapidly transport energy into a distant nickel layer, that takes up much more energy and expands faster and stronger than the laser-excited gold capping layer. Magnetic excitations in rare earth materials represent a large energy reservoir that delays the energy transfer into adjacent layers. Such magneto-caloric effects are known in thermodynamics but not extensively covered on ultrafast timescales. The combination of ultrafast X-ray diffraction and time-resolved techniques with direct access to the magnetization has a large potential to uncover and quantify such energy transfer processes. N2 - In dieser Arbeit untersuche ich den Einfluss magnetischer Ordnung auf die laser-induzierte, ultraschnelle Ausdehnung von Metallen. In Experimenten mit Femto- oder Pikosekunden Zeitauflösung sind magnetische Drücke bisher kaum erforscht. Dies steht im Kontrast zur industriellen Verwendung von magnetischen Invar Materialien oder magnetostriktiven Ultraschallgebern, in denen magnetische Drücke bereits in niedrigeren Frequenzbereichen Anwendung finden. In meinen Experimenten untersuche ich, wie der Energieeintrag durch die Absorption von Femtosekunden-Laserpulsen in dünnen Metallschichten zu einem ultraschnellen Druckanstieg führt. Dabei nutze ich, dass der Druckanstieg zu einer Ausdehnung führt, welche Deformationswellen auf der Nanometerskala, sogenannte Hyperschallpulse, in angrenzende Schichten aussendet. Sowohl die Ausdehnung als auch die Deformationspulse ändern den mittleren Abstand zwischen den Atomen in der Probe, welcher mittels Röntgenbeugung an einer Laser-getriebenen Plasma-Röntgenquelle mit einer Subpikosekunden-Zeitauflösung detektiert wird. Das Verfahren der ultraschnellen Röntgenbeugung gelingt auch in Heterostrukturen mit vergrabenen Detektionsschichten, zu denen optische Methoden aufgrund ihrer limitierter Eindringtiefe in Metallen keinen Zugang haben. Ein Beitrag dieser Arbeit zum Feld der Pikosekunden-Akustik ist es, aus der Ausdehnung einer solchen Detektionsschicht Rückschlüsse auf die initialen Energietransferprozesse zu ziehen. Der direkte Zusammenhang zwischen der eingebrachten Energiedichte in die Nanostrukturen und dem resultierenden Druck auf das Atomgitter ist ein zentraler Punkt in meiner Analyse der Experimente. Das zu Grunde liegende thermodynamische Konzept des Grüneisen-Parameters bildet den theoretischen Kontext meiner Publikationen. Anhand verschiedener Materialien demonstriere ich, wie dieses Prinzip auch zur Analyse der Ausdehnung auf ultraschnellen Zeitskalen verwendet werden kann und sich auch auf magnetische Drücke übertragen lässt. Insbesondere in der Materialklasse der schweren, seltenen Erdelemente sind Magnetostriktionseffekte sehr groß und führen dort sogar zu einem ungewöhnlichen Zusammenziehen des Materials nach der Laseranregung. Solch ein bestimmender Einfluss des magnetischen Drucks auf die Atombewegung ist bisher nicht gezeigt worden. Die Zeitskala des magnetischen Druckanstiegs entspricht dabei der beobachteten Abnahme der helikalen Spin-Ordnung, welche zuvor mittels zeitaufgelöster, resonanter Röntgenbeugung ermittelt wurde. Dies zeigt, dass die Stärke des magnetischen Drucks als Maß für magnetische Ordnung dienen kann, insbesondere auch im Fall von antiparalleler oder nicht-kollinearer Ordnung der magnetischen Momente in Proben mit verschwindender Magnetisierung. In Metallfilmen ist die Dehnung des Atomgitters in der Regel durch Druck von Elektronen und Gitterschwingungen geprägt. Um den magnetischen Druckbeitrag auch in solchen Fällen zu extrahieren, in denen systematische Experimente oberhalb und unterhalb der magnetischen Ordnungstemperatur nicht praktikabel sind, habe ich ein neuartiges Doppelpuls-Anregungsverfahren entwickelt, welches allgemein für die Untersuchung von Phasenübergängen nützlich ist. Der Energieeintrag durch den ersten Laserpuls führt dabei zu einer partiellen, ultraschnellen Demagnetisierung, sodass die Amplitude und Form der Gitterausdehnung nach dem zweiten Puls von der Stärke des verbliebenen magnetischen Drucks und somit von der verbliebenen magnetischen Ordnung abhängt. Mit dieser Methode ist es möglich geworden, einen stark richtungsabhängigen, magnetischen Druckbeitrag im Speichermedium Eisen-Platin zu identifizieren und mittels Variation des Puls-zu-Puls Abstands auch die Rückkehr der magnetischen Ordnung zu zeigen. Die unterschiedliche Ausdehnung von Eisen-Platin Nanopartikeln und dünnen Filmen zeigt dabei, dass die verschiedenen Zwangsbedingungen für die Ausdehnung entlang der Probenoberfläche aufgrund des Poisson-Effekts einen entscheidenden Einfluss auf die ultraschnelle Ausdehnung senkrecht zur Probenoberfläche hat. Ich analysiere, wie die zugrunde liegende Querkontraktion bei der Interpretation der ultraschnellen Ausdehnung auf der Basis von thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Quasi-Gleichgewicht berücksichtigt werden kann. Meine Arbeit erweitert die Literatur um einen Beitrag zur ultraschnellen Magnetostriktion und entwickelt eine Methodik mittels derer räumlich und zeitlich variierende Druckbeiträge anhand einer Modellierung der Form der Deformationswellen extrahiert werden können. Energietransferprozesse spiegeln sich dabei durch eine Änderung des Druckprofils gegenüber dem Absorptionsprofil der Laserpulse wider. KW - lattice dynamics KW - magnetism KW - ultrafast KW - X-ray diffraction KW - Gitterdynamik KW - Magnetismus KW - ultraschnell KW - Röntgenbeugung Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-535582 ER - TY - THES A1 - Zeuschner, Steffen Peer T1 - Magnetoacoustics observed with ultrafast x-ray diffraction N2 - In the present thesis I investigate the lattice dynamics of thin film hetero structures of magnetically ordered materials upon femtosecond laser excitation as a probing and manipulation scheme for the spin system. The quantitative assessment of laser induced thermal dynamics as well as generated picosecond acoustic pulses and their respective impact on the magnetization dynamics of thin films is a challenging endeavor. All the more, the development and implementation of effective experimental tools and comprehensive models are paramount to propel future academic and technological progress. In all experiments in the scope of this cumulative dissertation, I examine the crystal lattice of nanoscale thin films upon the excitation with femtosecond laser pulses. The relative change of the lattice constant due to thermal expansion or picosecond strain pulses is directly monitored by an ultrafast X-ray diffraction (UXRD) setup with a femtosecond laser-driven plasma X-ray source (PXS). Phonons and spins alike exert stress on the lattice, which responds according to the elastic properties of the material, rendering the lattice a versatile sensor for all sorts of ultrafast interactions. On the one hand, I investigate materials with strong magneto-elastic properties; The highly magnetostrictive rare-earth compound TbFe2, elemental Dysprosium or the technological relevant Invar material FePt. On the other hand I conduct a comprehensive study on the lattice dynamics of Bi1Y2Fe5O12 (Bi:YIG), which exhibits high-frequency coherent spin dynamics upon femtosecond laser excitation according to the literature. Higher order standing spinwaves (SSWs) are triggered by coherent and incoherent motion of atoms, in other words phonons, which I quantified with UXRD. We are able to unite the experimental observations of the lattice and magnetization dynamics qualitatively and quantitatively. This is done with a combination of multi-temperature, elastic, magneto-elastic, anisotropy and micro-magnetic modeling. The collective data from UXRD, to probe the lattice, and time-resolved magneto-optical Kerr effect (tr-MOKE) measurements, to monitor the magnetization, were previously collected at different experimental setups. To improve the precision of the quantitative assessment of lattice and magnetization dynamics alike, our group implemented a combination of UXRD and tr-MOKE in a singular experimental setup, which is to my knowledge, the first of its kind. I helped with the conception and commissioning of this novel experimental station, which allows the simultaneous observation of lattice and magnetization dynamics on an ultrafast timescale under identical excitation conditions. Furthermore, I developed a new X-ray diffraction measurement routine which significantly reduces the measurement time of UXRD experiments by up to an order of magnitude. It is called reciprocal space slicing (RSS) and utilizes an area detector to monitor the angular motion of X-ray diffraction peaks, which is associated with lattice constant changes, without a time-consuming scan of the diffraction angles with the goniometer. RSS is particularly useful for ultrafast diffraction experiments, since measurement time at large scale facilities like synchrotrons and free electron lasers is a scarce and expensive resource. However, RSS is not limited to ultrafast experiments and can even be extended to other diffraction techniques with neutrons or electrons. N2 - In der vorliegenden Arbeit untersuche ich die Gitterdynamik von magnetisch geordneten und dünnen Filmen, deren Spinsystem mit Femtosekunden-Laserpulsen angeregt und untersucht wird. Die Quantifizierung der laserinduzierten thermischen Dynamik, der erzeugten Pikosekunden-Schallpulse sowie deren jeweiliger Einfluss auf die Magnetisierungsdynamik ist ein schwieriges Unterfangen. Umso mehr ist die Entwicklung und Anwendung von effizienten experimentellen Konzepten und umfangreichen Modellen grundlegend für das Antreiben des zukünftigen wissenschaftlichen und technologischen Fortschritt. In jedem Experiment dieser kummulativen Dissertation untersuche ich das Kristallgitter von Nanometer dünnen Filmen nach der Anregung mit Femtosekunden-Laserpulsen. Die relative Änderung der Gitterkonstante, hervorgerufen durch thermische Ausdehnung oder Pikosekunden-Schallpulse, wird dabei direkt mittels ultraschneller Röntgenbeugung (UXRD) gemessen. Der Aufbau nutzt zur Bereitstellung von ultrakurzen Röntgenpulsen eine lasergetriebene Plasma-Röntgenquelle (PXS). Phononen und Spins üben gleichermaßen einen Druck auf das Gitter aus, welches entsprechend der elastsischen Eigenschaften des Materials reagiert, was das Gitter zu einem vielseitigen Sensor für ultraschenlle Wechselwirkungen macht. Zum einen untersuche ich Materialien mit starken magnetoelastischen Eigentschaften: die stark magnetostriktive Seltenen-Erden-Verbindung TbFe2, elementares Dysprosium oder das technologisch relavante Invar-Material FePt. Zum anderen habe ich eine umfangreiche Studie der Gitterdynamik von Bi1Y2Fe5O12 (Bi:YIG) angestellt, in dem der Literatur zufolge hochfrequente kohärente Spindynamiken durch Femtosekunden-Laseranregung zu beobachten sind. Diese stehenden Spinwellen (SSWs) höherer Ordnung entstehen durch die kohärente und inkohärente Bewegung von Atomen, in anderen Worten Phononen, welche ich durch UXRD vermessen habe. Somit sind wir in der Lage, die experimentellen Beobachtungen der Gitter- und Spindynamik qualitativ und quantitativ zu vereinigen. Dies geschieht durch eine Kombination von Viel-Temperatur- und Anisotropiemodellierung sowie elastische, magnetoelastische, und mikromagnetsiche Modelle. Die gemeinsamen Daten von UXRD und der zeitaufgelösten magnetooptischen Kerr-Effekt Messungen (tr-MOKE), um jeweils die Gitter- und Spindynamik zu messen, wurden in der Vergangenheit noch an unterschiedlichen experimentellen Aufbauten gemessen. Um die Quantifizierung präziser zu gestalten, haben wir in unserer Arbeitsgruppe UXRD und tr-MOKE in einem einzigen Aufbau kombiniert, welcher somit meines Wissens der erste seiner Art ist. Ich half bei dem Entwurf und der Inbetriebnahme des neuen Aufbaus, welcher die gleichzeitige Messung von Gitter- und Spindynamik auf einer ultraschnellen Zeitskala unter identischen Anregungsbedingungen ermöglicht. Außerdem entwickelte ich eine neue Messroutine für Röntgenbeugung, welche die Messzeit von UXRD-Experimenten um bis zu einer Größenordnungen reduziert. Es nennt sich das Schneiden des reziproken Raumes (reciprocal space slicing, RSS) und nutzt den Vorteil von Flächendetektoren die Bewegung von Beugungsreflexen zu detektieren, was von einer Änderung der Gitterkonstante einhergeht, ohne zeitintensive Scans der Beugungswinkel mit dem Goniometer durchzuführen. RSS ist besonders nützlich für ultraschnelle Beugungsexperimente, weil die Messzeit an Großgeräten wie Synchrotrons oder Freie Elektronen Laser eine seltene und teure Ressource ist. Darüber hinaus ist RSS nicht zwangsläufig auf die Anwendung in ultraschnellen Experimenten beschränkt und kann sogar auf andere Beugungsexperimente, wie die mit Neutronen und Elektronen, ausgeweitet werden. KW - ultrafast KW - X-ray diffraction KW - thin films KW - magnetoelasticity KW - ultraschnell KW - Röntgenbeugung KW - dünne Filme KW - Magnetoelastizität Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-561098 ER - TY - THES A1 - Maiti, Snehanshu T1 - Magnetohydrodynamic turbulence and cosmic ray transport T1 - Magnetohydrodynamische Turbulenz und Transport kosmischer Strahlung N2 - The first part of the thesis studies the properties of fast mode in magneto hydro-dynamic (MHD) turbulence. 1D and 3D numerical simulations are carried out to generate decaying fast mode MHD turbulence. The injection of waves are carried out in a collinear and isotropic fashion to generate fast mode turbulence. The properties of fast mode turbulence are analyzed by studying their energy spectral density, 2D structure functions and energy decay/cascade time. The injection wave vector is varied to study the dependence of the above properties on the injection wave vectors. The 1D energy spectrum obtained for the velocity and magnetic fields has 𝐸 (𝑘) ∝ 𝑘−2. The 2D energy spectrum and 2D structure functions in parallel and perpendicular directions shows that fast mode turbulence generated is isotropic in nature. The cascade/decay rate of fast mode MHD turbulence is proportional to 𝑘−0.5 for different kinds of wave vector injection. Simulations are also carried out in 1D and 3D to compare balanced and imbalanced turbulence. The results obtained shows that while 1D imbalanced turbulence decays faster than 1D balanced turbulence, there is no difference in the decay of 3D balanced and imbalanced turbulence for the current resolution of 512 grid points. "The second part of the thesis studies cosmic ray (CR) transport in driven MHD turbulence and is strongly dependent on it’s properties. Test particle simulations are carried out to study CR interaction with both total MHD turbulence and decomposed MHD modes. The spatial diffusion coefficients and the pitch angle scattering diffusion coefficients are calculated from the test particle trajectories in turbulence. The results confirms that the fast modes dominate the CR propagation, whereas Alfvén, slow modes are much less efficient with similar pitch angle scattering rates. The cross field transport on large and small scales are investigated next. On large/global scales, normal diffusion is observed and the diffusion coefficient is suppressed by 𝑀𝜁𝐴 compared to the parallel diffusion coefficients, with 𝜁 closer to 4 in Alfvén modes than that in total turbulence as theoretically expected. For the CR transport on scales smaller than the turbulence injection scale 𝐿, both the local and global magnetic reference frames are adopted. Super diffusion is observed on such small scales in all the cases. Particularly, CR transport in Alfvén modes show clear Richardson diffusion in the local reference frame. The diffusion transition smoothly from the Richardson’s one with index 1.5 to normal diffusion as particle’s mean free path decreases from 𝜆∥ ≫ 𝐿 to 𝜆∥ ≪ 𝐿. These results have broad applications to CRs in various astrophysical environments". N2 - Der erste Teil der Arbeit untersucht die Eigenschaften des schnellen Modus in magnetohydrodynamischen (MHD) Turbulenzen. Es werden numerische 1D- und 3D-Simulationen durchgeführt, um eine abklingende Fast-Mode-MHD-Turbulenz zu erzeugen. Die Injektion von Wellenvektoren wird kollinear und isotrop durchgeführt, um Fast-Mode-Turbulenzen zu erzeugen. Die Eigenschaften der Fast-Mode-Turbulenz werden durch die Untersuchung ihrer Energie-Spektraldichte, 2D-Strukturfunktionen und Energieabfall-/Kaskadenzeit analysiert. Die Injektionswellenvektoren werden in verschiedenen Simulationen für unterschiedliche Arten der Injektion variiert, um die Abhängigkeit der oben genannten Eigenschaften von den Injektionswellenvektoren zu untersuchen. Das für die Geschwindigkeits- und Magnetfelder erhaltene 1D-Energiespektrum hat E(k) ∝ k−2. Das 2D-Energiespektrum und die 2D-Strukturfunktionen in parallelen und senkrechten Richtungen zeigen, dass die erzeugte Fast-Mode-Turbulenz von Natur aus isotrop ist. Die Kaskaden-/Zerfallsrate der Fast-Mode-MHD-Turbulenz ist proportional zu k−0.5 für verschiedene Arten der Wellenvektorinjektion. Es werden auch Simulationen in 1D und 3D durchgeführt, um ausgeglichene und unausgeglichene Turbulenzen zu vergleichen. Die Ergebnisse zeigen, dass eine unausgewogene 1D-Turbulenz schneller abklingt als eine ausgeglichene 1D-Turbulenz, während es bei der derzeitigen Auflösung von 512 Gitterpunkten keinen Unterschied im Abklingen von ausgeglichener und unausgewogener 3D-Turbulenz gibt. Der zweite Teil der Arbeit untersucht den Transport kosmischer Strahlung (CR) in angetriebenen MHD-Turbulenzen und ist stark von deren Eigenschaften abhängig. Es werden Testpartikelsimulationen durchgeführt, um die Wechselwirkung von kosmischer Strahlung sowohl mit der gesamten MHD-Turbulenz als auch mit zerlegten MHD-Moden zu untersuchen. Aus den Flugbahnen der Testteilchen in der Turbulenz werden die räumlichen Diffusionskoeffizienten und die Diffusionskoeffizienten für die Streuung im Neigungswinkel berechnet. Die Ergebnisse bestätigen, dass die schnellen Moden die CR-Ausbreitung dominieren, während Alfv´en langsame Moden bei ähnlichen Neigungswinkelstreuungsraten viel weniger effizient sind. Der Querfeldtransport auf großen und kleinen Skalen wird als nächstes untersucht. Auf großen/globalen Skalen wird normale Diffusion beobachtet und der Diffusionskoeffizient wird durch MζA im Vergleich zu den parallelen Diffusionskoeffizienten unterdrückt, wobei ζin Alfv´en-Moden näher bei 4 liegt als in der Gesamtturbulenz, wie theoretisch erwartet. Für den CR-Transport auf Skalen, die kleiner sind als die Turbulenzinjektionsskala L, werden sowohl der lokale als auch der globale magnetische Bezugsrahmen verwendet. Auf solch kleinen Skalen wird in allen Fällen Superdiffusion beobachtet. Insbesondere der CRTransport in Alfv’en-Moden zeigt eine deutliche Richardson-Diffusion im lokalen Bezugssystem. Die Diffusion geht fließend von der Richardson-Diffusion mit dem Index 1,5 zur normalen Diffusion über, wenn die mittlere freie Weglänge der Teilchen, λ∥, von λ∥ ≫ L auf λ∥ ≪ L abnimmt. Diese Ergebnisse haben eine breite Anwendung auf CRs in verschiedenen astrophysikalischen Umgebungen. KW - isotropic fast mode turbulence KW - cascade rate KW - Alfv´en mode MHD turbulence KW - cosmic ray diffusion KW - efficient scattering KW - mean free path KW - Richardson Superdiffusion KW - Alfv´en-Modus MHD-Turbulenz KW - Richardson-Superdiffusion KW - Kaskadenrate KW - Diffusion kosmischer Strahlung KW - effiziente Streuung KW - Isotroper schneller Modus Turbulenzen KW - bedeuten freie Bahn Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-589030 ER - TY - THES A1 - Pazienti, Antonio T1 - Manipulations of spike trains and their impact on synchrony analysis T1 - Manipulationen von Aktionspotentialfolgen und dessen Impakt auf die Synchronizitaetsanalyse N2 - The interaction between neuronal cells can be identified as the computing mechanism of the brain. Neurons are complex cells that do not operate in isolation, but they are organized in a highly connected network structure. There is experimental evidence that groups of neurons dynamically synchronize their activity and process brain functions at all levels of complexity. A fundamental step to prove this hypothesis is to analyze large sets of single neurons recorded in parallel. Techniques to obtain these data are meanwhile available, but advancements are needed in the pre-processing of the large volumes of acquired data and in data analysis techniques. Major issues include extracting the signal of single neurons from the noisy recordings (referred to as spike sorting) and assessing the significance of the synchrony. This dissertation addresses these issues with two complementary strategies, both founded on the manipulation of point processes under rigorous analytical control. On the one hand I modeled the effect of spike sorting errors on correlated spike trains by corrupting them with realistic failures, and studied the corresponding impact on correlation analysis. The results show that correlations between multiple parallel spike trains are severely affected by spike sorting, especially by erroneously missing spikes. When this happens sorting strategies characterized by classifying only good'' spikes (conservative strategies) lead to less accurate results than tolerant'' strategies. On the other hand, I investigated the effectiveness of methods for assessing significance that create surrogate data by displacing spikes around their original position (referred to as dithering). I provide analytical expressions of the probability of coincidence detection after dithering. The effectiveness of spike dithering in creating surrogate data strongly depends on the dithering method and on the method of counting coincidences. Closed-form expressions and bounds are derived for the case where the dither equals the allowed coincidence interval. This work provides new insights into the methodologies of identifying synchrony in large-scale neuronal recordings, and of assessing its significance. N2 - Die Informationsverarbeitung im Gehirn erfolgt maßgeblich durch interaktive Prozesse von Nervenzellen, sogenannten Neuronen. Diese zeigen eine komplexe Dynamik ihrer chemischen und elektrischen Eigenschaften. Es gibt deutliche Hinweise darauf, dass Gruppen synchronisierter Neurone letztlich die Funktionsweise des Gehirns auf allen Ebenen erklären können. Um die schwierige Frage nach der genauen Funktionsweise des Gehirns zu beantworten, ist es daher notwendig, die Aktivität vieler Neuronen gleichzeitig zu messen. Die technischen Voraussetzungen hierfür sind in den letzten Jahrzehnten durch Multielektrodensyteme geschaffen worden, die heute eine breite Anwendung finden. Sie ermöglichen die simultane extrazelluläre Ableitung von bis zu mehreren hunderten Kanälen. Die Voraussetzung für die Korrelationsanalyse von vielen parallelen Messungen ist zunächst die korrekte Erkennung und Zuordnung der Aktionspotentiale einzelner Neurone, ein Verfahren, das als Spikesortierung bezeichnet wird. Eine weitere Herausforderung ist die statistisch korrekte Bewertung von empirisch beobachteten Korrelationen. Mit dieser Dissertationsschrift lege ich eine theoretische Arbeit vor, die sich der Vorverarbeitung der Daten durch Spikesortierung und ihrem Einfluss auf die Genauigkeit der statistischen Auswertungsverfahren, sowie der Effektivität zur Erstellung von Surrogatdaten für die statistische Signifikanzabschätzung auf Korrelationen widmet. Ich verwende zwei komplementäre Strategien, die beide auf der analytischen Berechnung von Punktprozessmanipulationen basieren. In einer ausführlichen Studie habe ich den Effekt von Spikesortierung in mit realistischen Fehlern behafteten korrelierten Spikefolgen modeliert. Zum Vergleich der Ergebnisse zweier unterschiedlicher Methoden zur Korrelationsanalyse auf den gestörten, sowie auf den ungestörten Prozessen, leite ich die entsprechenden analytischen Formeln her. Meine Ergebnisse zeigen, dass koinzidente Aktivitätsmuster multipler Spikefolgen durch Spikeklassifikation erheblich beeinflusst werden. Das ist der Fall, wenn Neuronen nur fälschlicherweise Spikes zugeordnet werden, obwohl diese anderen Neuronen zugehörig sind oder Rauschartefakte sind (falsch positive Fehler). Jedoch haben falsch-negative Fehler (fälschlicherweise nicht-klassifizierte oder missklassifizierte Spikes) einen weitaus grösseren Einfluss auf die Signifikanz der Korrelationen. In einer weiteren Studie untersuche ich die Effektivität einer Klasse von Surrogatmethoden, sogenannte Ditheringverfahren, welche paarweise Korrelationen zerstören, in dem sie koinzidente Spikes von ihrer ursprünglichen Position in einem kleinen Zeitfenster verrücken. Es zeigt sich, dass die Effektivität von Spike-Dithering zur Erzeugung von Surrogatdaten sowohl von der Dithermethode als auch von der Methode zur Koinzidenzzählung abhängt. Für die Wahrscheinlichkeit der Koinzidenzerkennung nach dem Dithern stelle ich analytische Formeln zur Verfügung. Die vorliegende Arbeit bietet neue Einblicke in die Methoden zur Korrelationsanalyse auf multi-variaten Punktprozessen mit einer genauen Untersuchung von unterschiedlichen statistischen Einflüssen auf die Signifikanzabschätzung. Für die praktische Anwendung ergeben sich Leitlinien für den Umgang mit Daten zur Synchronizitätsanalyse. KW - Brain Code KW - Point Process KW - Synchrony KW - Correlation Analysis KW - Surrogate Data Y1 - 2007 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-17447 ER - TY - THES A1 - Paul, Fabian T1 - Markov state modeling of binding and conformational changes of proteins T1 - Markow-Modellierung von Bindung und Konformationsänderungen bei Proteinen N2 - Proteins are molecules that are essential for life and carry out an enormous number of functions in organisms. To this end, they change their conformation and bind to other molecules. However, the interplay between conformational change and binding is not fully understood. In this work, this interplay is investigated with molecular dynamics (MD) simulations of the protein-peptide system Mdm2-PMI and by analysis of data from relaxation experiments. The central task it to uncover the binding mechanism, which is described by the sequence of (partial) binding events and conformational change events including their probabilities. In the simplest case, the binding mechanism is described by a two-step model: binding followed by conformational change or conformational change followed by binding. In the general case, longer sequences with multiple conformational changes and partial binding events are possible as well as parallel pathways that differ in their sequences of events. The theory of Markov state models (MSMs) provides the theoretical framework in which all these cases can be modeled. For this purpose, MSMs are estimated in this work from MD data, and rate equation models, which are related to MSMs, are inferred from experimental relaxation data. The MD simulation and Markov modeling of the PMI-Mdm2 system shows that PMI and Mdm2 can bind via multiple pathways. A main result of this work is a dissociation rate on the order of one event per second, which was calculated using Markov modeling and is in agreement with experiment. So far, dissociation rates and transition rates of this magnitude have only been calculated with methods that speed up transitions by acting with time-dependent, external forces on the binding partners. The simulation technique developed in this work, in contrast, allows the estimation of dissociation rates from the combination of free energy calculation and direct MD simulation of the fast binding process. Two new statistical estimators TRAM and TRAMMBAR are developed to estimate a MSM from the joint data of both simulation types. In addition, a new analysis technique for time-series data from chemical relaxation experiments is developed in this work. It allows to identify one of the above-mentioned two-step mechanisms as the mechanism that underlays the data. The new method is valid for a broader range of concentrations than previous methods and therefore allows to choose the concentrations such that the mechanism can be uniquely identified. It is successfully tested with data for the binding of recoverin to a rhodopsin kinase peptide. N2 - Proteine sind für das Leben essentielle Moleküle, die eine Vielzahl von Funktionen in Organismen ausüben. Dazu ändern sie ihre Konformation und binden an andere Moleküle. Jedoch ist das Zusammenspiel zwischen Konformationsänderung und Bindung nicht vollständig verstanden. In dieser Arbeit wird dieses Zusammenspiel mit Molekulardynamik-Simulationen (MD) des Protein-Peptid-Systems Mdm2-PMI und mit der Analyse von Daten aus Relaxationsexperimenten untersucht. Die zentrale Aufgabe ist, den Bindungsmechanismus aufzudecken, welcher durch die Reihenfolge von (partiellen) Bindungsereignissen und Konformationsänderungsereignissen beschrieben wird, inklusive der Wahrscheinlichkeiten dieser Ereignisse. Im einfachsten Fall lässt sich der Bindungsmechanismus durch ein Zwei-Schritt-Modell beschreiben: erst Bindung, dann Konformationsänderung oder erst Konformationsänderung und dann Bindung. Im allgemeinen Fall sind längere Schrittfolgen mit mehreren Konformationsänderungen und partiellen Bindungsereignissen möglich, ebenso wie parallele Wege, die sich in ihrer Schrittfolge unterscheiden. Die Theorie der Markow-Modelle (MSM) bildet den theoretischen Rahmen, in dem alle diese Fälle modelliert werden können. Dazu werden in dieser Arbeit MSMs aus MD-Daten geschätzt und Ratengleichungsmodelle, die mit MSMs verwandt sind, aus experimentellen Relaxationsdaten abgeleitet. Die MD-Simulation und Markow-Modellierung des PMI-Mdm2-Systems zeigt, dass PMI und Mdm2 auf verschiedenen Wegen binden können. Ein Hauptergebnis dieser Arbeit ist die durch Markow-Modellierung berechnete Dissoziationsrate von der Größenordnung von einem Ereignis pro Sekunde in Übereinstimmung mit experimentellen Daten. Dissoziations- und Übergangsraten in dieser Größenordnung wurden bisher nur mit Methoden berechnet, die Übergänge beschleunigen, indem mit zeitabhängigen, externen Kräften auf die Bindungspartner eingewirkt wird. Die in dieser Arbeit entwickelte Simulationstechnik dagegen erlaubt die Schätzung von Dissoziationsraten aus der Kombination von Freien-Energie-Rechnungen und direkter MD-Simulation des schnellen Bindungsprozesses. Zwei neue statistische Schätzer, TRAM und TRAMMBAR wurden entwickelt um ein MSM aus dem Gesamtdatensatz aus beiden Simulationstypen zu schätzen. Zudem wird in dieser Arbeit eine neue Analysetechnik für Zeitreihen aus chemischen Relaxationsexperimenten entwickelt. Sie ermöglicht es einen der beiden oben erwähnten Zwei-Schritt-Mechanismen als den den Daten zugrundeliegenden Mechanismus zu identifizieren. Die neue Methode ist für einen größeren Konzentrationsbereich gültig als frühere Methoden und erlaubt es daher, die Konzentrationen so zu wählen, dass der Mechanismus eindeutig identifiziert werden kann. Sie wurde erfolgreich mit Daten für die Bindung von Recoverin an ein Rhodopsinkinasenpeptid getestet. KW - protein-protein interaction KW - Protein-Protein-Interaktion KW - conformational selection KW - Konformationsselektion KW - induced fit KW - induzierte Passform KW - Markov state models KW - Markowketten KW - importance sampling KW - protein kinetics KW - Proteinkinetik KW - stopped-flow KW - flussunterbrechende Analyse Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-404273 ER - TY - THES A1 - Yin, Fan T1 - Mathematic approaches for the calibration of the CHAMP satellite magnetic field measurements T1 - Mathematische Ansätze für die Kalibrierung des Satelliten CHAMP Magnetfeldmessungen N2 - CHAMP (CHAllenging Minisatellite Payload) is a German small satellite mission to study the earth's gravity field, magnetic field and upper atmosphere. Thanks to the good condition of the satellite so far, the planned 5 years mission is extended to year 2009. The satellite provides continuously a large quantity of measurement data for the purpose of Earth study. The measurements of the magnetic field are undertaken by two Fluxgate Magnetometers (vector magnetometer) and one Overhauser Magnetometer (scalar magnetometer) flown on CHAMP. In order to ensure the quality of the data during the whole mission, the calibration of the magnetometers has to be performed routinely in orbit. The scalar magnetometer serves as the magnetic reference and its readings are compared with the readings of the vector magnetometer. The readings of the vector magnetometer are corrected by the parameters that are derived from this comparison, which is called the scalar calibration. In the routine processing, these calibration parameters are updated every 15 days by means of scalar calibration. There are also magnetic effects coming from the satellite which disturb the measurements. Most of them have been characterized during tests before launch. Among them are the remanent magnetization of the spacecraft and fields generated by currents. They are all considered to be constant over the mission life. The 8 years of operation experience allow us to investigate the long-term behaviors of the magnetometers and the satellite systems. According to the investigation, it was found that for example the scale factors of the FGM show obvious long-term changes which can be described by logarithmic functions. The other parameters (offsets and angles between the three components) can be considered constant. If these continuous parameters are applied for the FGM data processing, the disagreement between the OVM and the FGM readings is limited to \pm1nT over the whole mission. This demonstrates, the magnetometers on CHAMP exhibit a very good stability. However, the daily correction of the parameter Z component offset of the FGM improves the agreement between the magnetometers markedly. The Z component offset plays a very important role for the data quality. It exhibits a linear relationship with the standard deviation of the disagreement between the OVM and the FGM readings. After Z offset correction, the errors are limited to \pm0.5nT (equivalent to a standard deviation of 0.2nT). We improved the corrections of the spacecraft field which are not taken into account in the routine processing. Such disturbance field, e.g. from the power supply system of the satellite, show some systematic errors in the FGM data and are misinterpreted in 9-parameter calibration, which brings false local time related variation of the calibration parameters. These corrections are made by applying a mathematical model to the measured currents. This non-linear model is derived from an inversion technique. If the disturbance field of the satellite body are fully corrected, the standard deviation of scalar error \triangle B remains about 0.1nT. Additionally, in order to keep the OVM readings a reliable standard, the imperfect coefficients of the torquer current correction for the OVM are redetermined by solving a minimization problem. The temporal variation of the spacecraft remanent field is investigated. It was found that the average magnetic moment of the magneto-torquers reflects well the moment of the satellite. This allows for a continuous correction of the spacecraft field. The reasons for the possible unknown systemic error are discussed in this thesis. Particularly, both temperature uncertainties and time errors have influence on the FGM data. Based on the results of this thesis the data processing of future magnetic missions can be designed in an improved way. In particular, the upcoming ESA mission Swarm can take advantage of our findings and provide all the auxiliary measurements needed for a proper recovery of the ambient magnetic field. N2 - CHAMP (CHAllenging Minisatellite Payload) ist eine deutsche Kleinsatellitenmission für die Forschung und Anwendung in Bereich der Geowissenschaften und Atmosphärenphysik. Das Projekt wird vom GFZ geleitet. Mit seinen hochgenauen, multifunktionalen, sich ergänzenden Nutzlastelementen (Magnetometer, Akzelerometer, Sternsensor, GPS-Empfänger, Laser-Retroreflektor, Ionendriftmeter) liefert CHAMP erstmalig gleichzeitig hochgenaue Schwere- und Magnetfeldmessungen (seit Mitte 2000). Dank des bisherigen guten Zustandes des Satelliten ist die auf 5 Jahre ausgelegte Mission bis 2009 verlängert geworden. An Board befinden sich ein skalares Overhauser-Magnetometer(OVM) für Kalibrierungszwecke sowie zwei Fluxgate-Magnetometer(FGM) zur Messung des magnetischen Feldvektors. Die Messungen vom FGM werden immer verglichen mit denen vom OVM und korregiert im Fall von Widersprüche, das ist die sog. Skalar-Kalibrierung. Um eine zuverlässige Datenqualität während der 8 jährigen Mission zu garantieren, ist die Nachkalibrierung implementiert. Im Rahmen der standard mäßigen Datenverarbeitung werden die Instrumentenparameter des FGM alle 15 Tage neu bestimmt. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, eine Verbesserung der Vektormagnetfelddaten zu erzielen durch eine neue Methode der Kalibrierung, die die Eigenschaften der Sensoren und Störung vom Raumfahrzeug mit berücksichtigt. Die Erfahrung aus den zurückliegenden Jahren hat gezeigt, dass sich die Skalenfaktoren des FGM stark mit der Zeit ändern. Dieser Verlauf lässt sich gut durch eine Logarithmuskurve anpassen. Andere Parameter wie die Winkel und die Offsets scheinen stabil zu sein. Eine Ausnahme macht der Offset der Z-Komponent. Dieser bedarf einer regelmäßigen Korrektur. Während die Standardverarbeitung eine undifferenzierte Bestimmung aller 9 FGM Parameter durch nicht-lineare Inversion der skalar Daten vornimmt, beziehen wir jetzt die langzeitlichen Eigenschaften der Parameter in die Bestimmung mit ein. Eine weitere Verbesserung der CHAMP-Magnetfelddaten konnte erreicht werden durch geeignete Berücksichtigung von Störung vom Raumfahrzeug. Die verbleibenden Unsicherheiten konnten durch diese Maßnahmen auf eine Standardabweichung von 0.1nT reduziert werden. KW - Magnetische Feldmessungen KW - Magnetometer-Kalibrierung KW - Magnetfeld-Satellit KW - Magnetic field measurements KW - magnetometer calibration KW - magnetic field satellites Y1 - 2010 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-41201 ER - TY - THES A1 - Landau, Livnat T1 - Mechanical stimulation of in-vitro tissue growth using magnetic beads N2 - Cells and tissues are sensitive to mechanical forces applied to them. In particular, bone forming cells and connective tissues, composed of cells embedded in fibrous extracellular matrix (ECM), are continuously remodeled in response to the loads they bear. The mechanoresponses of cells embedded in tissue include proliferation, differentiation, apoptosis, internal signaling between cells, and formation and resorption of tissue. Experimental in-vitro systems of various designs have demonstrated that forces affect tissue growth, maturation and mineralization. However, the results depended on different parameters such as the type and magnitude of the force applied in each study. Some experiments demonstrated that applied forces increase cell proliferation and inhibit cell maturation rate, while other studies found the opposite effect. When the effect of different magnitudes of forces was compared, some studies showed that higher forces resulted in a cell proliferation increase or differentiation decrease, while other studies observed the opposite trend or no trend at all. In this study, MC3T3-E1 cells, a cell line of pre-osteoblasts (bone forming cells), was used. In this cell line, cell differentiation is known to accelerate after cells stop proliferating, typically at confluency. This makes this cell line an interesting subject for studying the influence of forces on the switch between the proliferation stage of the precursor cell and the differentiation to the mature osteoblasts. A new experimental system was designed to perform systematic investigations of the influence of the type and magnitude of forces on tissue growth. A single well plate contained an array of 80 rectangular pores. Each pore was seeded with MC3T3-E1 cells. The culture medium contained magnetic beads (MBs) of 4.5 μm in diameter that were incorporated into the pre-osteoblast cells. Using an N52 neodymium magnet, forces ranging over three orders of magnitude were applied to MBs incorporated in cells at 10 different distances from the magnet. The amount of formed tissue was assessed after 24 days of culture. The experimental design allowed to obtain data concerning (i) the influence of the type of the force (static, oscillating, no force) on tissue growth; (ii) the influence of the magnitude of force (pN-nN range); (iii) the effect of functionalizing the magnetic beads with the tripeptide Arg-Gly-Asp (RGD). To learn about cell differentiation state, in the final state of the tissue growth experiments, an analysis for the expression of alkaline phosphatase (ALP), a well - known marker of osteoblast differentiation, was performed. The experiments showed that the application of static magnetic forces increased tissue growth compared to control, while oscillating forces resulted in tissue growth reduction. A statistically significant positive correlation was found between the amount of tissue grown and the magnitude of the oscillating magnetic force. A positive but non-significant correlation of the amount of tissue with the magnitude of forces was obtained when static forces were applied. Functionalizing the MBs with RGD peptides and applying oscillating forces resulted in an increase of tissue growth relative to tissues incubated with “plain” epoxy MBs. ALP expression decreased as a function of the magnitude of force both when static and oscillating forces were applied. ALP stain intensity was reduced relative to control when oscillating forces were applied and was not significantly different than control for static forces. The suggested interpretation of the experimental findings is that larger mechanical forces delay cell maturation and keep the pre-osteoblasts in a more proliferative stage characterized by more tissue formed and lower expression of ALP. While the influence of the force magnitude can be well explained by an effect of the force on the switch between proliferation and differentiation, the influence of force type (static or oscillating) is less clear. In particular, it is challenging to reconcile the reduction of tissue formed under oscillating forces as compared to controls with the simultaneous reduction of ALP expression. To better understand this, it may be necessary to refine the staining protocol of the scaffolds and to include the amount and structure of ECM as well as other factors that were not monitored in the experiment and which may influence tissue growth and maturation. The developed experimental system proved well suited for a systematic and efficient study of the mechanoresponsiveness of tissue growth, it allowed a study of the dependence of tissue growth on force magnitude ranging over three orders of magnitude, and a comparison between the effect of static and oscillating forces. Future experiments can explore the multiple parameters that affect tissue growth as a function of the magnitude of the force: by applying different time-dependent forces; by extending the force range studied; or by using different cell lines and manipulating the mechanotransduction in the cells biochemically. KW - mechanobiology KW - magnetism KW - biophysics KW - tissue growth KW - magnetic beads Y1 - 2020 ER - TY - THES A1 - Gomez, David T1 - Mechanisms of biochemical reactions within crowded environments T1 - Mechanismus der Biochemische Reaktionen im vollgestopfte Umgebungen N2 - The cell interior is a highly packed environment in which biological macromolecules evolve and function. This crowded media has effects in many biological processes such as protein-protein binding, gene regulation, and protein folding. Thus, biochemical reactions that take place in such crowded conditions differ from diluted test tube conditions, and a considerable effort has been invested in order to understand such differences. In this work, we combine different computationally tools to disentangle the effects of molecular crowding on biochemical processes. First, we propose a lattice model to study the implications of molecular crowding on enzymatic reactions. We provide a detailed picture of how crowding affects binding and unbinding events and how the separate effects of crowding on binding equilibrium act together. Then, we implement a lattice model to study the effects of molecular crowding on facilitated diffusion. We find that obstacles on the DNA impair facilitated diffusion. However, the extent of this effect depends on how dynamic obstacles are on the DNA. For the scenario in which crowders are only present in the bulk solution, we find that at some conditions presence of crowding agents can enhance specific-DNA binding. Finally, we make use of structure-based techniques to look at the impact of the presence of crowders on the folding a protein. We find that polymeric crowders have stronger effects on protein stability than spherical crowders. The strength of this effect increases as the polymeric crowders become longer. The methods we propose here are general and can also be applied to more complicated systems. N2 - Innerhalb einer Zelle, im Zytosol, entstehen und arbeiten sehr viele biologische Makromoleküle. Die Dichte dieser Moleküle ist sehr hoch und dieses ‘vollgestopfte’ Zytosol hat vielfältige Auswirkungen auf viele biologische Prozessen wie zum Beispiel Protein-Protein Interaktionen, Genregulation oder die Faltung von Proteinen. Der Ablauf von vielen biochemische Reaktionen in dieser Umgebung weicht von denen unter verdünnte Laborbedingungen ab. Um die Effekte dieses ‘makromolekularen Crowdings’ zu verstehen, wurde in den letzten Jahren bereits viel Mühe investiert. In dieser Arbeit kombinieren wir verschiede Computermethoden, um die Wirkungen des ‘makromolekularen Crowdings’ auf biologische Prozesse besser zu verstehen. Zuerst schlagen wir ein Gittermodell vor, um damit die Effekte des ‘makromolekularen Crowdings’ auf enzymatische Reaktionen zu studieren. Damit stellen wir ein detailliertes Bild zusammen, wie Crowding die Assoziations- und Dissozotationsraten beeinflusst und wie verschiedene crowding-Effekte zusammen auf die Gleichgewichtskonstante wirken. Weiterhin implementieren wir ein Gittermodell der ‘erleichterte Diffusion’. Unsere Ergebnisse zeigen, dass Hindernisse an der DNA die vereinfachte Diffusion beeinträchtigen. Das Ausmass dieser Wirkung hängt dabei von der Dynamik der Hindernisse an der DNA ab. Im dem Fall dass Crowder ausschließlich in der Lösung vorhanden sind, erhöhen sich unter bestimmten Bedingungen DNA-spezifische Bindungen. Schließlich nutzten wir strukturbasierte Techniken um damit die Auswirkungen von Crowding auf die Faltung von Proteinen zu untersuchen. Wir fanden dabei, dass Polymer Crowder stärkere Wirkungen auf die Proteinstabilität haben als kugelförmige Crowder. Dieser Effekt verstärkte sich mit der Länge der untersuchten Polymere. Die Methoden die hier vorgeschlagen werden, sind generell anwendbar und können auch an deutlich komplexeren Systemen angewandt werden. KW - molecular crowding KW - gene expression KW - enzymatic activity KW - protein folding KW - Molecular crowding KW - enzymatische Reaktionen KW - Genregulation KW - Faltung von Proteinen Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-94593 ER - TY - THES A1 - Kav, Batuhan T1 - Membrane adhesion mediated via lipid-anchored saccharides T1 - Membranadhäsion durch Lipid-verankerte Saccharide N2 - Membrane adhesion is a fundamental biological process in which membranes are attached to neighboring membranes or surfaces. Membrane adhesion emerges from a complex interplay between the binding of membrane-anchored receptors/ligands and the membrane properties. In this work, we study membrane adhesion mediated by lipid-anchored saccharides using microsecond-long full-atomistic molecular dynamics simulations. Motivated by neutron scattering experiments on membrane adhesion via lipid-anchored saccharides, we investigate the role of LeX, Lac1, and Lac2 saccharides and membrane fluctuations in membrane adhesion. We study the binding of saccharides in three different systems: for saccharides in water, for saccharides anchored to essentially planar membranes at fixed separations, and for saccharides anchored to apposing fluctuating membranes. Our simulations of two saccharides in water indicate that the saccharides engage in weak interactions to form dimers. We find that the binding occurs in a continuum of bound states instead of a certain number of well-defined bound structures, which we term as "diffuse binding". The binding of saccharides anchored to essentially planar membranes strongly depends on separation of the membranes, which is fixed in our simulation system. We show that the binding constants for trans-interactions of two lipid-anchored saccharides monotonically decrease with increasing separation. Saccharides anchored to the same membrane leaflet engage in cis-interactions with binding constants comparable to the trans-binding constants at the smallest membrane separations. The interplay of cis- and trans-binding can be investigated in simulation systems with many lipid-anchored saccharides. For Lac2, our simulation results indicate a positive cooperativity of trans- and cis-binding. In this cooperative binding the trans-binding constant is enhanced by the cis-interactions. For LeX, in contrast, we observe no cooperativity between trans- and cis-binding. In addition, we determine the forces generated by trans-binding of lipid-anchored saccharides in planar membranes from the binding-induced deviations of the lipid-anchors. We find that the forces acting on trans-bound saccharides increase with increasing membrane separation to values of the order of 10 pN. The binding of saccharides anchored to the fluctuating membranes results from an interplay between the binding properties of the lipid-anchored saccharides and membrane fluctuations. Our simulations, which have the same average separation of the membranes as obtained from the neutron scattering experiments, yield a binding constant larger than in planar membranes with the same separation. This result demonstrates that membrane fluctuations play an important role at average membrane separations which are seemingly too large for effective binding. We further show that the probability distribution of the local separation can be well approximated by a Gaussian distribution. We calculate the relative membrane roughness and show that our results are in good agreement with the roughness values reported from the neutron scattering experiments. N2 - Membranadhäsion ist ein fundamentaler biologischer Prozess, bei dem Membranen sich an benachbarte Membranen oder Oberfläche anheften. Membranadhäsion entstammt einem komplexen Zusammenspiel aus Bindungen zwischen Membranverankerten Rezeptor/Ligand-Bindungen und den Membraneigenschaften selbst. In dieser Arbeit untersuchen wir Membranadhäsion vermittelt durch Lipid-verankerte Saccharide mittels Mikrosekunden-langer voll-atomistischer molekular-dynamischer Simulationen. Motiviert durch Neutronen Scattering Experimente von Lipid-verankerten Sacchariden und deren Einfluss auf Membranadhäsion, untersuchen wir die Rolle der Saccharide LeX, Lac1 und Lac2 sowie der Membranfluktuationen in Membranadhäsion. Wir untersuchen die Bindungen der Saccharide in drei verschiedenen Systemen: In Wasser, verankert in quasi-ebenflächigen Membranen bei fixierten Abständen, und verankert in aneinanderliegenden, fluktuierenden Membranen. Unsere Simulationen von zwei Sacchariden in Wasser deuten darauf hin, dass diese Saccharide durch schwache Interaktionen Dimere formen. Anstelle einiger klar definierter Bindungsstrukturen, finden wir ein Kontinuum von gebundenen Zuständen vor, das wir als "diffuse Bindung" bezeichnen. Die Bindungen von Sacchariden in quasi-ebenflächigen Membranen hängt stark vom Abstand zwischen diesen Membranen ab, der in unserem System fest gewählt ist. Wir zeigen, dass die Bundungskonstanten für trans-Interaktionen zweier Lipid-verankerter Saccharide monoton abnimmt mit zunehmendem Abstand. Saccharide verankert auf der selben Membran wechselwirken in cis-Interaktionen, deren Bindungskonstanten denen der trans-Interaktionen bei dem kleinsten gewählten Membranabstand ähneln. Das Zusammenspiel der cis- und trans-Interaktionen kann in Simulationssystemen mit vielen Lipid-verankerten Sacchariden untersucht werden. Für Lac2 deuten unsere Simulationen auf eine Kooperativität zwischen cis- und trans-Interaktionen hin: In diesem kooperativen Bindungsprozess verstärkt die cis-Interkation die trans-Bindunskonstante. Für LeX hingegen stellen wir keine Kooperativität zwischen trans- und cis-Bindung fest. Zusätzlich bestimmen wir die generierten Kräfte, die durch trans-gebundene Lipid-verankerte Saccharide in ebenflächigen Membranen und die resultierende Ablenkung der Lipid-Anker hervorgerufen werden. Wir stellen fest, dass mit gesteigertem Abstand zwischen den Membranen, die auf trans-gebundene Saccharide wirkenden Kräfte auf bis zu 10 pN ansteigen. Die Bindungen von Sacchariden, die in fluktuierenden Membranen verankert sind, resultieren aus einem Zusammenspiel zwischen den Eigenschaften dieser Lipid-verankerten Saccharide und den Membranfluktuationen. Unsere Simulationen, die den Membranabstand aufweisen, der auch in den Neutron Scattering Experimenten ermittelt wurde, resultieren in einer Bindungskonstante, die größer ist als jene in quasi-ebenflächigen Membranen bei dem gleichen Abstand. Dieses Ergebnis demonstriert, dass Membranfluktuationen eine wichtige Rolle spielen bei mittleren Membranabstünden, die sonst scheinbar zu groß sind für effektive Bindungsprozesse. Weiterhin zeigen wir, dass die Wahrscheinlichkeitsverteilung der lokalen Abstünde gut durch eine Gauss-Verteilung approximiert werden kann. Wir berechnen die relative Membranrauigkeit und zeigen, dass unsere Ergebnisse gut mit denen der Neutron Scattering Experimente vereinbar sind. KW - molecular dynamics KW - membrane adhesion KW - lipid-anchored saccharide KW - lipid membranes KW - membrane adhesion forces KW - Molekulardynamik KW - Membranadhäsion KW - lipid-verankerte Saccharide KW - Lipidmembran KW - Membran-Adhäsionskräfte Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-428790 ER - TY - THES A1 - Albus, Alexander P. T1 - Mixtures of Bosonic and Fermionic atoms N2 - Ziel der Arbeit war die systematische theoretische Behandlung von Gemischen aus bosonischen und fermionischen Atomen in einem Parameterbereich, der sich zur Beschreibung von aktuellen Experimenten mit ultra-kalten atomaren Gasen eignet. Zuerst wurde der Formalismus der Quantenfeldtheorie auf homogene, atomare Boson-Fermion Gemische erweitert, um grundlegende Größen wie Quasiteilchenspektren, die Grundzustandsenergie und daraus abgeleitete Größen über die Molekularfeldtheorie hinaus zu berechnen. Unter Zuhilfenahme der dieser Resultate System wurde ein Boson-Fermion Gemisch in einem Fallenpotential im Rahmen der Dichtefunktionaltheorie beschrieben. Daraus konnten die Dichteprofile ermittelt werden und es ließen sich drei Bereiche im Phasendiagramm identifizieren: (i) ein Bereich eines stabilen Gemisches, (ii) ein Bereich, in dem die Spezies entmischt sind und (iii) ein Bereich, in dem das System kollabiert. Im letzten dieser drei Fällen waren Austausch--Korrelationseffekte signifikant. Weiterhin wurde die Änderung der kritischen Temperatur der Bose-Einstein-Kondensation aufgrund der Boson-Fermion-Wechselwirkung berechnet. Verursacht wird dieser Effekt von Dichtumverteilungen aufgrund der Wechselwirkung. Dann wurden Boson-Fermion Gemische in optischen Gittern betrachtet. Ein Stabilitätskriterium gegen Phasenentmischung wurde gefunden und es ließen sich Bedingungen für einen supraflüssig zu Mott-isolations Phasenübergang angeben. Diese wurden sowohl mittels einer Molekularfeldrechnung als auch numerisch im Rahmen eines Gutzwilleransatzes gefunden. Es wurden weiterhin neuartige frustrierte Grundzustände im Fall von sehr großen Gitterstärken gefunden. N2 - The theory of atomic Boson-Fermion mixtures in the dilute limit beyond mean-field is considered in this thesis. Extending the formalism of quantum field theory we derived expressions for the quasi-particle excitation spectra, the ground state energy, and related quantities for a homogenous system to first order in the dilute gas parameter. In the framework of density functional theory we could carry over the previous results to inhomogeneous systems. We then determined to density distributions for various parameter values and identified three different phase regions: (i) a stable mixed regime, (ii) a phase separated regime, and (iii) a collapsed regime. We found a significant contribution of exchange-correlation effects in the latter case. Next, we determined the shift of the Bose-Einstein condensation temperature caused by Boson-Fermion interactions in a harmonic trap due to redistribution of the density profiles. We then considered Boson-Fermion mixtures in optical lattices. We calculated the criterion for stability against phase separation, identified the Mott-insulating and superfluid regimes both, analytically within a mean-field calculation, and numerically by virtue of a Gutzwiller Ansatz. We also found new frustrated ground states in the limit of very strong lattices. ----Anmerkung: Der Autor ist Träger des durch die Physikalische Gesellschaft zu Berlin vergebenen Carl-Ramsauer-Preises 2004 für die jeweils beste Dissertation der vier Universitäten Freie Universität Berlin, Humboldt-Universität zu Berlin, Technische Universität Berlin und Universität Potsdam. KW - Quantendegeneriert BEK FDS ultrakalte Atome KW - quantum degenerate BEC FDS ultacold atoms Y1 - 2003 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0001065 ER -