New path integral simulation algorithms and their application to creep in the quantum sine-Gordon chain

A path integral simulation algorithm which includes a higher-order Trotter approximation (HOA)is analyzed and compared to an approach which includes the correct quantum mechanical pair interaction (effective Propagator (EPr)). It is found that the HOA algorithmconverges to the quantum limit with increasing Trotter number P as P^{-4}, while the EPr algorithm converges as P^{-2}.The convergence rate of the HOA algorithm is analyzed for various physical systemssuch as a harmonic chain,a particle in a double-well potential, gaseous argon, gaseous helium and crystalline argon. A new expression for the estimator for the pair correlation function in the HOA algorithm is derived. A new path integral algorithm, the hybrid algorithm, is developed.It combines an exact treatment of the quadratic part of the Hamiltonian and thehigher-order Trotter expansion techniques.For the discrete quantum sine-Gordon chain (DQSGC), it is shown that this algorithm works more efficiently than all other improved path integral algorithms discussed in this work. The new simulation techniques developed in this work allow the analysis of theDQSGC and disordered model systems in the highly quantum mechanical regime using path integral molecular dynamics (PIMD)and adiabatic centroid path integral molecular dynamics (ACPIMD).The ground state phonon dispersion relation is calculated for the DQSGC by the ACPIMD method.It is found that the excitation gap at zero wave vector is reduced by quantum fluctuations. Two different phases exist: One phase with a finite excitation gap at zero wave vector, and a gapless phase where the excitation gap vanishes.The reaction of the DQSGC to an external driving force is analyzed at T=0.In the gapless phase the system creeps if a small force is applied, and in the phase with a gap the system is pinned. At a critical force, the systems undergo a depinning transition in both phases and flow is induced. The analysis of the DQSGC is extended to models with disordered substrate potentials. Three different cases are analyzed: Disordered substrate potentials with roughness exponent H=0, H=1/2,and a model with disordered bond length. For all models, the ground state phonon dispersion relation is calculated.

Elektrokinetik konzentrierter kolloidaler Suspensionen

In dieser Arbeit wurden wässrige Suspensionen ladungsstabilisierter kolloidaler Partikel bezüglich ihres Verhaltens unter dem Einfluss elektrischer Felder untersucht. Insbesondere wurde die elektrophoretische Mobilität µ über einen weiten Partikelkonzentrationsbereich studiert, um das individuelle Verhalten einzelner Partikel mit dem bisher nur wenig untersuchten kollektiven Verhalten von Partikelensembles (speziell von fluid oder kristallin geordneten Ensembles) zu vergleichen. Dazu wurde ein superheterodynes Dopplervelocimetrisches Lichtstreuexperiment mit integraler und lokaler Datenerfassung konzipiert, das es erlaubt, die Geschwindigkeit der Partikel in elektrischen Feldern zu studieren. Das Experiment wurde zunächst erfolgreich im Bereich nicht-ordnender und fluid geordneter Suspensionen getestet. Danach konnte mit diesem Gerät erstmals das elektrophoretische Verhalten von kristallin geordneten Suspensionen untersucht werden. Es wurde ein komplexes Fließverhalten beobachtet und ausführlich dokumentiert. Dabei wurden bisher in diesem Zusammenhang noch nicht beobachtete Effekte wie Blockfluss, Scherbandbildung, Scherschmelzen oder elastische Resonanzen gefunden. Andererseits machte dieses Verhalten die Entwicklung einer neuen Auswertungsroutine für µ im kristallinen Zustand notwendig, wozu die heterodyne Lichtstreutheorie auf den superheterodynen Fall mit Verscherung erweitert werden musste. Dies wurde zunächst für nicht geordnete Systeme durchgeführt. Diese genäherte Beschreibung genügte, um unter den gegebenen Versuchbedingungen auch das Lichtstreuverhalten gescherter kristalliner Systeme zu interpretieren. Damit konnte als weiteres wichtiges Resultat eine generelle Mobilitäts-Konzentrations-Kurve erhalten werden. Diese zeigt bei geringen Partikelkonzentrationen den bereits bekannten Anstieg und bei mittleren Konzentrationen ein Plateau. Bei hohen Konzentrationen sinkt die Mobilität wieder ab. Zur Interpretation dieses Verhaltens bzgl. Partikelladung stehen derzeit nur Theorien für nicht wechselwirkende Partikel zur Verfügung. Wendet man diese an, so findet man eine überraschend gute Übereinstimmung der elektrophoretisch bestimmten Partikelladung Z*µ mit numerisch bestimmten effektiven Partikelladungen Z*PBC.

Study of electromagnetic reactions on light nuclei with the Lorentz Integral Transform method

In dieser Arbeit aus dem Bereich der Wenig-Nukleonen-Physik wird die neu entwickelte Methode der Lorentz Integral Transformation (LIT) auf die Untersuchung von Kernphotoabsorption und Elektronenstreuung an leichten Kernen angewendet. Die LIT-Methode ermoeglicht exakte Rechnungen durchzufuehren, ohne explizite Bestimmung der Endzustaende im Kontinuum. Das Problem wird auf die Loesung einer bindungzustandsaehnlichen Gleichung reduziert, bei der die Endzustandswechselwirkung vollstaendig beruecksichtigt wird. Die Loesung der LIT-Gleichung wird mit Hilfe einer Entwicklung nach hypersphaerischen harmonischen Funktionen durchgefuehrt, deren Konvergenz durch Anwendung einer effektiven Wechselwirkung im Rahmem des hypersphaerischen Formalismus (EIHH) beschleunigt wird. In dieser Arbeit wird die erste mikroskopische Berechnung des totalen Wirkungsquerschnittes fuer Photoabsorption unterhalb der Pionproduktionsschwelle an 6Li, 6He und 7Li vorgestellt. Die Rechnungen werden mit zentralen semirealistischen NN-Wechselwirkungen durchgefuehrt, die die Tensor Kraft teilweise simulieren, da die Bindungsenergien von Deuteron und von Drei-Teilchen-Kernen richtig reproduziert werden. Der Wirkungsquerschnitt fur Photoabsorption an 6Li zeigt nur eine Dipol-Riesenresonanz, waehrend 6He zwei unterschiedliche Piks aufweist, die dem Aufbruch vom Halo und vom Alpha-Core entsprechen. Der Vergleich mit experimentellen Daten zeigt, dass die Addition einer P-Wellen-Wechselwirkung die Uebereinstimmung wesentlich verbessert. Bei 7Li wird nur eine Dipol-Riesenresonanz gefunden, die gut mit den verfuegbaren experimentellen Daten uebereinstimmt. Bezueglich der Elektronenstreuung wird die Berechnung der longitudinalen und transversalen Antwortfunktionen von 4He im quasi-elastischen Bereich fuer mittlere Werte des Impulsuebertrages dargestellt. Fuer die Ladungs- und Stromoperatoren wird ein nichtrelativistisches Modell verwendet. Die Rechnungen sind mit semirealistischen Wechselwirkungen durchgefuert und ein eichinvarianter Strom wird durch die Einfuehrung eines Mesonaustauschstroms gewonnen. Die Wirkung des Zweiteilchenstroms auf die transversalen Antwortfunktionen wird untersucht. Vorlaeufige Ergebnisse werden gezeigt und mit den verfuegbaren experimentellen Daten verglichen.

The Euler number of OGradys 10-dimensional symplectic manifold

Wir berechnen die Eulerzahl der 10-dimensionalen exzeptionellen irreduziblen symplektischen Mannigfaltigkeit, die von O Grady konstruiert wurde. Die Idee besteht darin, zunächst eine Lagrangefaserung zu konstruieren und dann die Eulerzahlen der Fasern zu berechnen. Es stellt sich heraus, dass fast alle Fasern die Eulerzahl 0 haben, und deswegen reduziert sich das Problem auf die Berechnung der Eulerzahlen der übrigen Fasern. Diese Fasern sind Modulräume von halbstabilen Garben auf singulären Kurven. Der Hauptteil dieser Dissertation ist der Berechnung der Eulerzahlen dieser Modulräume gewidmet. Diese Resultate sind von unabhängigem Interesse.

An integral conservative gridding--algorithm using Hermitian curve interpolation

The problem of re-sampling spatially distributed data organized into regular or irregular grids to finer or coarser resolution is a common task in data processing. This procedure is known as 'gridding' or 're-binning'. Depending on the quantity the data represents, the gridding-algorithm has to meet different requirements. For example, histogrammed physical quantities such as mass or energy have to be re-binned in order to conserve the overall integral. Moreover, if the quantity is positive definite, negative sampling values should be avoided. The gridding process requires a re-distribution of the original data set to a user-requested grid according to a distribution function. The distribution function can be determined on the basis of the given data by interpolation methods. In general, accurate interpolation with respect to multiple boundary conditions of heavily fluctuating data requires polynomial interpolation functions of second or even higher order. However, this may result in unrealistic deviations (overshoots or undershoots) of the interpolation function from the data. Accordingly, the re-sampled data may overestimate or underestimate the given data by a significant amount. The gridding-algorithm presented in this work was developed in order to overcome these problems. Instead of a straightforward interpolation of the given data using high-order polynomials, a parametrized Hermitian interpolation curve was used to approximate the integrated data set. A single parameter is determined by which the user can control the behavior of the interpolation function, i.e. the amount of overshoot and undershoot. Furthermore, it is shown how the algorithm can be extended to multidimensional grids. The algorithm was compared to commonly used gridding-algorithms using linear and cubic interpolation functions. It is shown that such interpolation functions may overestimate or underestimate the source data by about 10-20%, while the new algorithm can be tuned to significantly reduce these interpolation errors. The accuracy of the new algorithm was tested on a series of x-ray CT-images (head and neck, lung, pelvis). The new algorithm significantly improves the accuracy of the sampled images in terms of the mean square error and a quality index introduced by Wang and Bovik (2002 IEEE Signal Process. Lett. 9 81-4).

Monitoring protein-protein interactions between the mammalian integral membrane transporters and PDZ-interacting partners using a modified split-ubiquitin membrane yeast two-hybrid system

PDZ-binding motifs are found in the C-terminal tails of numerous integral membrane proteins where they mediate specific protein-protein interactions by binding to PDZ-containing proteins. Conventional yeast two-hybrid screens have been used to probe protein-protein interactions of these soluble C termini. However, to date no in vivo technology has been available to study interactions between the full-length integral membrane proteins and their cognate PDZ-interacting partners. We previously developed a split-ubiquitin membrane yeast two-hybrid (MYTH) system to test interactions between such integral membrane proteins by using a transcriptional output based on cleavage of a transcription factor from the C terminus of membrane-inserted baits. Here we modified MYTH to permit detection of C-terminal PDZ domain interactions by redirecting the transcription factor moiety from the C to the N terminus of a given integral membrane protein thus liberating their native C termini. We successfully applied this "MYTH 2.0" system to five different mammalian full-length renal transporters and identified novel PDZ domain-containing partners of the phosphate (NaPi-IIa) and sulfate (NaS1) transporters that would have otherwise not been detectable. Furthermore this assay was applied to locate the PDZ-binding domain on the NaS1 protein. We showed that the PDZ-binding domain for PDZK1 on NaS1 is upstream of its C terminus, whereas the two interacting proteins, NHERF-1 and NHERF-2, bind at a location closer to the N terminus of NaS1. Moreover NHERF-1 and NHERF-2 increased functional sulfate uptake in Xenopus oocytes when co-expressed with NaS1. Finally we used MYTH 2.0 to demonstrate that the NaPi-IIa transporter homodimerizes via protein-protein interactions within the lipid bilayer. In summary, our study establishes the MYTH 2.0 system as a novel tool for interactive proteomics studies of membrane protein complexes.

Evolutionary demography of long-lived monocarpic perennials: a time-lagged integral projection model

1. The evolution of flowering strategies (when and at what size to flower) in monocarpic perennials is determined by balancing current reproduction with expected future reproduction, and these are largely determined by size-specific patterns of growth and survival. However, because of the difficulty in following long-lived individuals throughout their lives, this theory has largely been tested using short-lived species (< 5 years). 2. Here, we tested this theory using the long-lived monocarpic perennial Campanula thyrsoides which can live up to 16 years. We used a novel approach that combined permanent plot and herb chronology data from a 3-year field study to parameterize and validate integral projection models (IPMs). 3. Similar to other monocarpic species, the rosette leaves of C. thyrsoides wither over winter and so size cannot be measured in the year of flowering. We therefore extended the existing IPM framework to incorporate an additional time delay that arises because flowering demography must be predicted from rosette size in the year before flowering. 4. We found that all main demographic functions (growth, survival probability, flowering probability and fecundity) were strongly size-dependent and there was a pronounced threshold size of flowering. There was good agreement between the predicted distribution of flowering ages obtained from the IPMs and that estimated in the field. Mostly, there was good agreement between the IPM predictions and the direct quantitative field measurements regarding the demographic parameters lambda, R-0 and T. We therefore conclude that the model captures the main demographic features of the field populations. 5. Elasticity analysis indicated that changes in the survival and growth function had the largest effect (c. 80%) on lambda and this was considerably larger than in short-lived monocarps. We found only weak selection pressure operating on the observed flowering strategy which was close to the predicted evolutionary stable strategy. 6. Synthesis. The extended IPM accurately described the demography of a long-lived monocarpic perennial using data collected over a relatively short period. We could show that the evolution of flowering strategies in short- and long-lived monocarps seem to follow the same general rules but with a longevity-related emphasis on survival over fecundity.

Rotational integral geometry of tensor valuations

We derive a new rotational Crofton formula for Minkowski tensors. In special cases, this formula gives (1) the rotational average of Minkowski tensors defined on linear subspaces and (2) the functional defined on linear subspaces with rotational average equal to a Minkowski tensor. Earlier results obtained for intrinsic volumes appear now as special cases.