Fakultät für Physik - Digitale Hochschulschriften der LMU - Teil 05/05 Archiv

We explore the phenomenon of spontaneous symmetry breaking in the context of collective neutrino flavor oscillations. Namely, we investigate the spontaneous breaking of isotropy in a homogeneous gas of neutrinos and of azimuthal isotropy in the context of core-collapse supernovae. For the homo- geneous gas, a simple one-dimensional model is analysed in order to demonstrate the phenomenon and understand the connection to the linearized stability analysis. The effect is then investigated in the context of isotropic emission from a supernova core. We show that an azimuthally isotropic flavor configuration is unstable under the differential equations of motion. We analyse the linear stability of propagation in the flavor state and the important consequences to the general prediction of collective flavor conversion. This symmetry-breaking instability is sensitive to the ordering of the neutrino masses.

In this thesis various aspects of target-space duality in closed bosonic string theory are studied. It begins by introducing generalized geometry as the main mathematical framework. In analogy to general relativity with the Riemannian metric as dynamical quantity, a unified description for string backgrounds – Riemannian metrics together with Kalb-Ramond two-form fields – is approached via Courant algebroids on the generalized tangent bundle equipped with a generalized metric. The dual background configuration, i.e. a metric and a bivector field, is described by the generalized cotangent bundle. The absence of a conventional curvature tensor and consequently the problem of defining generalized gravity theories on Courant algebroids is investigated in detail. This leads to the introduction of Lie algebroids whose differential geometry is suitable for the formulation of gravity theories. Different such theories are shown to be interrelated by appropriate homomorphisms. This proves to be useful for describing non-geometric backgrounds. Target-space duality is introduced in terms of O(d,d)-duality which identifies two-dimensional non-linear sigma models for different string backgrounds as physically equivalent under certain conditions: The backgrounds and coordinates of the dual theories have to be related by certain O(d, d) transformations. In particular, integrability conditions of the dual coordinates are formulated in terms of Courant algebroids. Apart from (non-abelian) T-duality, O(d,d)-duality contains the novel Poisson-duality induced by Poisson structures. T- and Poisson-duality are applied to the three-torus with constant H-flux which shows the existence of non-geometric backgrounds. The latter exceed conventional conceptions of geometry as they cannot be described globally. The problem of describing non-geometric backgrounds is approached with generalizes geometry. A unified description of T-dual backgrounds is given in terms of proto-Lie bialgebroids – one for the geometric sector and another for the non-geometric one. They combine into a Courant algebroid whose anomalous Jacobi identity provides conditions for the concurrent appearance of dual fluxes. The absence of a gravity theory leads to the restriction to Lie algebroids. Their gravity theories allow for a global description of non-geometric backgrounds by an exact prescription for the patching of these backgrounds. The description extends to all possible supergravity theories. The question whether a unified description of dual backgrounds is possible is reconsidered in a manifestly T-duality invariant conformal field theory approach. Dual coordinates are treated on equal footing. Modular invariance of the one-loop partition function together with the premise of physical intermediate states in four-tachyon scattering inevitably leads to the appearance of the strong constraint of double field theory on non-compact spaces. Toroidally compactified directions do not require a constraint. This explains the appearance of the strong constraint and justifies possible attenuations.

Markarian 421 (Mrk~421) is one of the classical blazars at X-ray and very high energies (VHE; $>$100 GeV). Its spectral energy distribution (SED) can be accurately characterized by current instruments because of its close proximity, which makes Mrk~421 one of the best sources to study the nature of blazars. The goal of this PhD thesis is to better understand the mechanisms responsible for the broadband emission and the temporal evolution of Mrk~421. The results might be applied to other blazars which cannot be studied with this level of detail because their emissions are weaker, or they are located further away. This thesis reports results from $\sim$70 hours of observations with MAGIC in 2010 and 2011 (the first two years of the operation of the MAGIC stereo telescopes), as well as the results from the multi-wavelength (MW) observation campaigns in 2010 and 2011, where more than 20 instruments participated, covering energies from radio to VHE. The MW data from the 2010 and 2011 campaigns show that, for both years, the fractional variability $F_{\rm var}$ increases with the energy for both the low-energy and the high-energy bumps in the SED of Mrk~421. Furthermore, $F_{\rm var}(\text{optical})$ was similar to $F_{\rm var}(\text{HE-$\gamma$-ray;$>$100 MeV})$, and $F_{\rm var}(\text{X-ray})$ was similar to $F_{\rm var}(\text{VHE-$\gamma$-ray})$. This observed characteristic is expected from the strong correlation between the synchrotron photons and the up-scattered photons by inverse-Compton effect within the synchrotron self-Compton (SSC) emission model, thus allowing for the first time of the consistency test on this widely used theoretical model. During the MW campaign in 2010, we measured the decay of a flaring activity during 13 days in March. We could perform MW observations every day, which enables an unprecedented characterization of the time-evolution of the radio to $\gamma$-ray emission of Mrk~421. The broadband SEDs during this flaring episode, resolved on timescales of one day, were characterized with two leptonic scenarios: a one-zone SSC model, and a two-zone SSC model where one zone is responsible for the quiescent emission while the other (smaller) zone, which is spatially separated from the former one, contributes to the daily-variable emission occurring mostly at X-rays and VHE $\gamma$ rays. Both the one-zone SSC and the two-zone SSC models can describe the daily SEDs. However, the two-zone SSC model provides a better agreement to the observed SED at the narrow peaks of the low- and high-energy bumps during the highest activity. The proposed two-zone scenario would naturally lead to the correlated variability in the X-ray and VHE bands without variability in the optical/UV band, as well as to shorter timescales for the variability in the X-ray and VHE bands with respect to the variability in the other bands. This concept of a second small emission region containing a narrow electron spectrum in order to explain the short timescale flaring activity in the X-ray and VHE bands could be generalized to other blazars. The results from the 2010 March flaring activity of Mrk~421 are reported in Sections~\ref{LightCurves} -- \ref{Discussion}, and they are the main scientific achievement of this PhD thesis. Preliminary results were reported (as an oral contribution) in the 33rd International Cosmic Ray Conference (Rio de Janeiro, July 2013), one of the most prestigious conferences in the field of the VHE astronomy and astro-particle physics in general. The final results (reviewed and approved within the \Fermic, MAGIC, and VERITAS Collaborations) have been submitted for publication in the Astronomy and Astrophysics journal in 2014 June. During the MW campaign in 2011, Mrk~421 had an atypically high activity in the optical band, together with a very low state in the X-ray/VHE band. Typically, blazar emission models for Mrk~421 focus on the explanation of the variability in the X-ray and $\gamma$-ray bands. This data set is suitable for examining emission models and estimate if they can describe the evolution of the whole broadband SEDs including the variabilities in optical, X-ray, and $\gamma$-ray bands. We found that the one-zone SSC model can describe the relatively slow variation of the 2011 broadband SEDs. The modeling of these SEDs shows that the main factor dominating the spectral evolution could be the electron energy distribution (EED), instead of the environmental parameters like the blob size and the Doppler factor. To explain the featured high optical state together with the low X-ray/VHE state, several changes were needed in comparison to the typical state from 2009: a harder power-law index in the first segment in the EED, a lower first break in the EED, and a softer power-law index in the second segment in the EED. Besides, these optical high states had synchrotron peak frequencies 10 times lower than the typical state, while their synchrotron peak energy-fluxes were similar to those of the typical state. On the contrary, the 2010~March flaring activity showed that a high peak energy-flux was accompanied by a high peak frequency in comparison to the typical state, which has also been observed on several other blazars. This contrast showed that the broadband variability in the emission of Mrk~421 during 2011 had a different \emph{flavor} with respect to the typical blazar broadband flaring activity. This PhD thesis shows that most variations in the SED of Mrk~421 can be produced through changes in the EED, which could shed light into how particles get accelerated in the vicinity of super-massive black holes, or within the relativistic jets of the active galactic nuclei. However, the results also show a large complexity in the evolution of the broadband (radio to VHE $\gamma$-rays) SED. Thus longer and deeper observations are needed to understand what characteristics get repeated over time and hence typical, what characteristics are atypical, and ultimately, whether the lessons learned with Mrk~421 can be extended to high-synchrotron-peaked blazars in general.

This thesis investigates bulk continuum generation. A full study of all relevant parameter is given. In addition, its application in ultrafast and widly tunable amplifiers and spectrometers is shown.

In dieser Dissertation untersuchen wir eine Vielzahl von Themen aus dem Bereich der Kosmologie und der Gravitation. Insbesondere behandeln wir Fragestellungen aus der Inflationstheorie, der Strukturbildung im neuzeitlichen Universum und massiver Gravitation, sowie Quantenaspekte schwarzer Löcher und Eigenschaften bestimmter skalare Theorien bei sehr hohen Energien. Im sogenannten "New Higgs Inflation"-Modell spielt das Higgs-Boson die Rolle des Inflaton-Felds. Das Modell ist kompatibel mit Messungen der Higgs-Masse, weil das Higgs-Boson nichtminimal an den Einstein-Tensor gekoppelt wird. Wir untersuchen das Modell in Hinblick auf die kürzlich veröffentlichten Resultate der BICEP2- und Planck-Experimente und finden eine hervorragende Übereinstimmung mit den gemessenen Daten. Desweiteren zeigen wir auf, dass die scheinbaren Widersprüche zwischen Planck- und BICEP2-Daten dank eines negativ laufenden Spektralindex verschwinden. Wir untersuchen außerdem die Unitaritätseigenschaften der Theorie und räsonieren, dass es während der gesamten Entwicklung des Universums nicht zu Unitaritätsverletzung kommt. Während der Dauer der inflationären Phase sind Kopplungen in den Higgs-Higgs und Higgs-Graviton-Sektoren durch eine großen feldabhängige Skala unterdrückt. Die W- und Z-Bosonen hingegen entkoppeln aufgrund ihrer sehr großen Masse. Wir zeigen eine Möglichkeit auf, die es erlaubt die Eichbosonen als Teil der Niederenergietheorie zu behalten. Dies wird erreicht durch eine gravitationsabhängige nichtminimale Kopplung des Higgs-Felds an die Eichbosonen. Im nächsten Abschnitt konzentrieren wir uns auf das neuzeitliche Universum. Wir untersuchen den sogenannten sphärischen Kollaps in Modellen gekoppelter dunkler Energie. Insbesondere leiten wir eine Formulierung des sphärischen Kollaps her, die auf den nichtlinearen Navier-Stokes-Gleichungen basiert. Im Gegensatz zu bekannten Beispielen aus der Literatur fließen alle wichtigen Fifth-Force Effekte in die Entwicklung ein. Wir zeigen, dass unsere Methode einfachen Einblick in viele Subtilitäten erlaubt, die auftreten wenn die dunkle Energie als inhomogen angenommen wird. Es folgt eine Einleitung in die Theorien von massiven Spin-2 Teilchen. Hier erklären wir die Schwierigkeiten der Formulierung einer nichtlinearen, wechselwirkenden Theorie. Wir betrachten das bekannte Problem des Boulware-Deser-Geists und zeigen zwei Wege auf, dieses No-Go-Theorem zu vermeiden. Insbesondere konstruieren wir die eindeutige Theorie eines wechselwirkenden massiven Spin-2 Teilchens, die auf kubischer Ordnung trunkiert werden kann, ohne dass sie zu Geist-Instabilitäten führt. Der zweite Teil dieser Arbeit widmet sich bekannten Problemen der Physik schwarzer Löcher. Hier liegt unser Fokus auf der Idee, das schwarze Löcher als Bose-Kondensate von Gravitonen aufgefasst werden können. Abweichungen von semiklassischem Verhalten sind Resultat von starken Quanteneffekten die aufgrund einer kollektiven starken Kopplung auftreten. Diese starke Kopplung führt in bekannten Systemen zu einem Quantenphasenübergang oder einer Bifurkation. Die quantenmechanischen Effekte könnten der Schlüssel zur Auflösung lang existierender Probleme in der Physik schwarzer Löcher sein. Dies umschließt zum Beispiel das Informationsparadox und das ``No-Hair''-Theorem. Außerdem könnten sie wertvolle Einblicke in die Vermutung liefern, dass schwarze Löcher die Systeme sind, die Informationen am schnellsten verschlüsseln. Als Modell für ein schwarzes Loch studieren wir ein System von ultrakalten Bosonen auf einem Ring. Dieses System ist bekannt als eines, dass einen Quantenkritischen Punkt besitzt. Wir demonstrieren, dass am kritischen Punkt Quanteneffekte sogar für sehr große Besetzungszahlen wichtig sein können. Hierzu definieren wir die Fluktuationsverschränkung, die angibt, wie sehr verschiedene Impulsmoden miteinander verschränkt sind. Die Fluktuationsverschränkung ist maximal am kritischen Punkt und ist dominiert von sehr langwelligen Fluktuationen. Wir finden daher Resultate die unabhängig von der Physik im ultravioletten sind. Im weiteren Verlauf besprechen wir die Informationsverarbeitung von schwarzen Löchern. Insbesondere das Zusammenspiel von Quantenkritikalität und Instabilität kann für ein sehr schnelles Wachstum von Ein-Teilchen-Verschränkung sorgen. Dementsprechend zeigen wir, dass die sogenannte "Quantum Break Time'', welche angibt wie schnell sich die exakte Zeitentwicklung von der semiklassischen entfernt, wie log(N) wächst. Hier beschreibt N die Anzahl der Konstituenten. Im Falle eines Gravitonkondensats gibt N ein Maß für die Entropie des schwarzen Lochs an. Dementsprechend interpretieren wir unsere Erkenntnisse als einen starken Hinweis, dass das Verschlüsseln von Informationen in schwarzen Löchern denselben Ursprung haben könnte. Das Verdampfen von schwarzen Löchern beruht in unserem Bild auf zwei Effekten. Kohärente Anregungen der tachyonischen radialen Mode führen zum Kollaps des Kondensats, während sich die inkohärente Streuung von Gravitonen für die Hawking-Strahlung verantwortlich zeigt. Hierfür konstruieren wir einen Prototyp, der einen bosonischen Freiheitsgrades mit impulsabhängigen Wechselwirkungen beschreibt. Im Schwinger-Keldysh-Formalismus untersuchen wir die Echtzeit-Evolution des Kondensats und zeigen, dass der Kollaps und die damit einhergehende Evaporation auf selbst-ähnliche Weise verläuft. In diesem Fall ist das Kondensat während des gesamten Kollapses an einem kritischen Punkt. Desweiteren zeigen wir Lösungen, die an einem instabilen Punkt leben, und daher schnelle Verschränkung erzeugen könnten. Der finale Teil der Arbeit befasst sich mit Renormierungsgruppenflüssen in skalaren Theorien mit impulsabhängigen Wechselwirkungen. Wer leiten die Flussgleichung für eine Theorie, die nur eine Funktion des kinetischen Terms enthält her. Hier zeigen wir die Existenz von Fixpunkten in einer Taylor-Entwicklung der Funktion auf. Wir diskutieren, inwiefern unsere Analyse für Einblick in allgemeinere Theorien mit Ableitungswechselwirkungen sorgen kann. Dies beinhaltet zum Beispiel Gravitation.

A Quantum point contact (QPC) is a one dimensional constriction, separating two extended electron systems allowing transport between them only though a short and narrow channel. The linear conductance of QPCs is quantized in units of the conductance quantum G_Q=2e^2/h, where e is the electron charge and h is Planck's constant. Thus the conductance shows a staircase when plotted as a function of gate-voltage which defines the width of the channel. In addition measured curves show a shoulder-like step around 0.7G_Q. In this regime QPCs show anomalous behaviour in quantities like electrical or thermal conductance, noise, and thermopower, as a function of external parameters such as temperature, magnetic field, or applied voltage. These phenomena, collectively known as the 0.7-anomaly in QPCs are subject of controversial discussion. This thesis offers a detailed description of QPCs in the parameter regime of the 0.7-anomaly. A model is presented which reproduces the phenomenology of the 0.7-anomaly. We give an intuitive picture and a detailed description of the microscopic mechanism leading to the anomalous behavior. Further, we offer detailed predictions for the behavior of the 0.7-anomaly in the presence of spin-orbit interactions. Our best theoretical results were achieved using an approximation scheme within the functional renormalization group (fRG) which we developed to treat inhomogeneous interacting fermi systems. This scheme, called the coupled ladder approximation (CLA), allows the flow of the two-particle vertex to be incorporated even if the number of interacting sites N, is large, by reducing the number of independent variables which represent the two-particle vertex from O(N^4) to O (N^2).

Due to the accessible sharp dose gradients, external beam radiotherapy with protons and heavier ions enables a highly conformal adaptation of the delivered dose to arbitrarily shaped tumour volumes. However, this high conformity is accompanied by an increased sensitivity to potential uncertainties, e.g., due to changes in the patient anatomy. Additional challenges are imposed by respiratory motion which does not only lead to rapid changes of the patient anatomy, but, in the cased of actively scanned ions beams, also to the formation of dose inhomogeneities. Therefore, it is highly desirable to verify the actual application of the treatment and to detect possible deviations with respect to the planned irradiation. At present, the only clinically implemented approach for a close-in-time verification of single treatment fractions is based on detecting the distribution of β+-emitter formed in nuclear fragmentation reactions during the irradiation by means of positron emission tomography (PET). For this purpose, a commercial PET/CT (computed tomography) scanner has been installed directly next to the treatment rooms at the Heidelberg Ion-Beam Therapy Center (HIT). Up to present, the application of this treatment verification technique is, however, still limited to static target volumes. This thesis aimed at investigating the feasibility and performance of PET-based treatment verification under consideration of organ motion. In experimental irradiation studies with moving phantoms, not only the practicability of PET-based treatment monitoring for moving targets, using a commercial PET/CT device, could be shown for the first time, but also the potential of this technique to detect motion-related deviations from the planned treatment with sub-millimetre accuracy. The first application to four exemplary hepato-cellular carcinoma patient cases under substantially more challenging clinical conditions indicated potential for improvement by taking organ motion into consideration, particularly for patients exhibiting motion amplitudes of above 1cm and a sufficiently large number of detected true coincidences during their post-irradiation PET scan. Despite the application of an optimised PET image reconstruction scheme, as retrieved from a dedicated phantom imaging study in the scope of this work, the small number of counts and the resulting high level of image noise were identified as a major limiting factor for the detection of motion-induced dose inhomogeneities within the patient. Moreover, the biological washout modelling of the irradiation-induced isotopes proved to be not sufficiently accurate and thereby impede a quantitative analysis of measured and simulated data under consideration of target motion. In future, improvements are particularly foreseen through dedicated noise-robust time-resolved (4D) image reconstruction algorithms, an improved tracking of the organ motion, e.g., by ultrasound (US) imaging, as implemented for the first time in 4D PET imaging in the scope of this work, as well as by patient-specific washout models.

Die moderne Anrege-Abfrage-Spektroskopie (Pump-Probe-Spektroskopie) ermöglicht es, die Mehrheit der relevanten physikalischen und chemischen Prozesse zeitaufgelöst zu messen. Die Pump-Probe-Spektroskopie wird in der fundamentalen, industriellen, biomedizinischen und Umweltforschung angewendet, um ein breites Spektrum von komplizierten Substanzen zu untersuchen. Diese Dissertation demonstriert das große Potenzial der transienten Spektroskopie für die Untersuchung von ultraschnellen chemischen Reaktionen komplizierter organischer Moleküler (Allylverbindungen). Auch einige praktische Vorschläge zur Verbesserung der spektroskopischen Messroutine werden gegeben. Die Bestimmung des Zeit-Nullpunkts (zeitlicher Überlapp) der Anrege- und Abfragepulse ist sehr wichtige und keine triviale Aufgabe in einem Anrege-Abfrage-Experiment. Im Kapitel 3 werden die Ergebnisse der Untersuchung von bekannten Laserfarbstoffen und anderen Substanzen, die erfolgreich zur Zeit-Nullpunkt Kalibrierung benutzt werden können, beschrieben. In den Kapiteln 4 und 5 werden die Ergebnisse der spektroskopischen Untersuchung von einigen interessanten Allylsystemen präsentiert. Es ist uns gelungen zu zeigen, dass die spezifische molekulare Einheit (die Styrolgruppe) als Chromophor dient, was während der UV-Anregung von Allylen mit Kurzpuls-Lasern zur Lokalisierung der Anregung auf der Styrolgruppe führt. Durch die Benutzung dieser Eigenschaft und den Wechsel von Abgangsgruppen und Substituenten haben wir detailiert den Bindungsbruch und die geminate Ionenpaar-Rekombination von unsubstituierten, symmetrisch und unsymmetrisch substituierten Allylsystemen untersucht.

In der vorliegenden Dissertation werden Eigenschaften stark gekoppelter hydrodynamischer Theorien untersucht, die mittels einer dualen Beschreibung als höherdimensionale gravitative Systeme aufgefasst werden können. Besonderes Augenmerk liegt hierbei auf der Berechnung physikalischer Größen wie Viskositäten oder Diffusionskonstanten. Diese werden hinsichtlich der Frage betrachtet, ob sie allgemeingültigen, universellen Gesetzmäßigkeiten folgen, die man aus der Beschreibung mittels einer Gravitationstheorie ableiten kann. Die theoretische Grundlage bildet hierbei die Dualität konformer Quantenfeldtheorien im Minkowski Raum und höherdimensionaler Stringtheorien im Anti-de Sitter Raum, die AdS/CFT Korrespondenz. Einen besonders interessanten Grenzfall stellt der Limes starker Kopplung und hoher Anzahl von Freiheitsgraden der konformen Feldtheorie dar, in dem sich die duale Beschreibung zu klassischer Gravitationstheorie im AdS Raum vereinfacht. Mittels störungstheoretischer Betrachtung der Fluktuationen von Schwarzen Loch Lösungen der Gravitationstheorie lassen sich universelle hydrodynamische Eigenschaften der stark gekoppelten Feldtheorie beschreiben. Eines der Hauptergebnisse dieses Forschungsgebietes ist der Nachweis, dass Fluide, die durch eine einfache duale Gravitationstheorie mit ungebrochener Rotationsinvarianz beschrieben werden können, ein universelles Verhältnis aus Scherviskosität und Entropiedichte besitzen. Erstaunlicherweise stimmt dieses Verhältnis parametrisch mit dem gemessenen Wert des stark gekoppelten Quark-Gluonen-Plasmas überein, ohne dass eine direkte Beschreibung dieser QCD Phase momentan möglich ist. In der vorliegenden Arbeit wird die Konstruktion eines ähnlichen, universellen Zusammenhangs beschrieben. In der hydrodynamischen Beschreibung supersymmetrischen Feldtheorien existiert eine Diffusionskonstante, die, ähnlich der Scherviskosität, den spurfreien Teil der Konstitutivgleichung des Supersymmetriestroms beschreibt. Wir berechnen diese Konstante in supersymmetrischen Theorien allgemeiner Dimension mittels verschiedener unabhängiger Rechnungen. Dazu betrachten wir als duale Gravitationstheorie eine generische Supergravitationstheorie. Die Bewegungsgleichung des zum Supersymmetriestrom dualen Gravitinos in Schwarzen Loch Hintergründen wird gelöst und erlaubt die Berechnung der retardierten Greenschen Funktion des Supersymmetriestroms der Feldtheorie. Diese besitzt einen Pol, der die charakteristische Schalldispersionsrelation des Phoninos beschreibt, des Goldstonefermions spontan gebrochener Supersymmetrie aufgrund endlicher Temperatur. In dieser Dispersionsrelation findet sich die besagte Diffusionskonstante, die sich auch mittels einer neuartigen Kubo-Formel direkt aus der Greenschen Funktion berechnen lässt. Das Hauptergebnis der Arbeit bildet hierbei die Etablierung eines Zusammenhangs dieser Diffusionskonstante und eines universell gültigen Absorptionsquerschnitts auf der dualen Seite der Gravitationstheorie, der die Absorption von Spinoren von einem Schwarzen Loch Hintergrund beschreibt. Eine weitere bedeutende Entwicklung besteht in der Entdeckung eines neuartigen Transportkoeffizienten, der einen beobachtbaren induzierten Strom aufgrund der Vortizität eines Fluids beschreibt. Dieser stellt die klassische Manifestation eines quantenmechanischen Effektes dar, der entsteht, wenn die zugrunde liegende mikroskopische Theorie eine quantenmechanische chirale Anomalie aufweist. Wir untersuchen diesen Effekt mithilfe eines theoretischen Ansatzes, der verschiedene Zugänge zum Verhältnis von Hydrodynamik und Gravitation miteinander vereint. Dazu werden rotierende D3-Branen effektiv als asymptotisch flache Verallgemeinerungen von fünf-dimensionalen AdS Reissner-Nordström Schwarzen Löchern beschrieben. Die Fluktuationen dieses Hintergrundes beschreiben nun eine effektive hydrodynamische Theorie auf einer Fläche in festem Abstand zur Singularität des Schwarzen Lochs, auf der die Fluktuationen Dirichlet Randbedingungen annehmen. Diese Herangehensweise erlaubt es uns den erwähnten Quanteneffekt nicht nur am Rand des AdS Raums zu betrachten, sondern auch am Horizont des Schwarzen Lochs, auf jeder Fläche mit konstantem Radius dazwischen oder sogar im asymptotisch flachen Raum.

Specific interactions of biomolecules are central to cellular processes, drug discovery and immunodiagnostics. Such biological binding events are quantifiable via thermophoresis, the directed molecule movement driven by a temperature gradient. Biomolecule thermophoresis can be induced by infrared laser heating and analyzed using fluorescence. The objective of this thesis was to enhance and optimize these all-optical measurements, regarding instrumentation, assay design and biomedical applications. In the first part, a novel measurement device and approach are presented, which cut down sample consumption 50-fold compared to established capillary thermophoresis. Instead of capillaries, analysis was performed in 10 nl-sample droplets transferred into standard 1536-well plates with a non-contact liquid handler (Labcyte). To prevent evaporation, the aqueous sample droplets were stabilized in an oil-surfactant mix. Temperature induced effects in this water-in-oil system were experimentally characterized and the results agreed with numerical simulation. The system’s applicability for biomolecular interaction analysis was confirmed with a DNA aptamer. The achieved miniaturization and the easy-to-handle multi-well plate format promote automated high-throughput screens. Besides aptamers, proteins should also be measurable very well when judging from the application depth of capillary measurements. This versatility of protein investigation via capillary thermophoresis is demonstrated in the second part. Successful experiments were not only conducted in diverse liquids including crude cell lysate, but also for binding partners with a broad range of molecular weight ratios. Affinities between protein and protein, protein and peptide, as well as protein and small molecule were determined with high accuracy. Further flexibility arises from the herein presented label free approach which utilizes protein intrinsic UV fluorescence. It is caused by aromatic amino acids with tryptophan being the major intrinsic fluorophore. This approach exempts from the need to attach a dye, which saves time and excludes labeling artifacts. The wide variety of proteins that can be analyzed with thermophoresis also includes anti-bodies. Two applications of such thermophoretic immunoassays are introduced in the third part. Firstly, the therapeutically interesting antibody MCPR3-7 was assessed. MCPR3-7 binds proteinase 3 (PR3), the major autoimmune target in granulomatosis with polyangiitis. Thermophoresis allowed to quantified MCPR3-7’s affinity and selectivity for different PR3 forms. In addition, it revealed that the antibody interferes with the complexation of PR3 and alpha-1-proteinase inhibitor (alpha-1PI). Secondly, a diagnostic autocompetition assay is described, which directly determines affinity and concentration of disease related biomarkers. It was applied for autoantibodies against the cardiac β1-adrenoceptor found in patients suffering from dilated cardiomyopathy. To detect these autoantibodies, the small peptide COR1 mimicking the adrenoceptor’s dominant epitope served as an artificial antigen. This tracer was labeled with a red-fluorescent dye, which ensured selectivity for measurements directly in untreated human blood serum. The results prove that thermophoresis is a valuable tool to characterize antibodies including those of diagnostic value and those with a therapeutic potential. Taken together, the presented innovations in assay design and the novel nl-droplet approach can be expected to considerably widen the application spectrum of thermophoresis in fundamental research, industrial drug discovery and clinical laboratory diagnostics.