Correlations and Quantum Dynamics of 1D Fermionic Models: New Results for the Kitaev Chain with Long-Range Pairing

In the first part of the thesis, we propose an exactly-solvable one-dimensional model for fermions with long-range p-wave pairing decaying with distance as a power law. We studied the phase diagram by analyzing the critical lines, the decay of correlation functions and the scaling of the von Neumann entropy with the system size. We found two gapped regimes, where correlation functions decay (i) exponentially at short range and algebraically at long range, (ii) purely algebraically. In the latter the entanglement entropy is found to diverge logarithmically. Most interestingly, along the critical lines, long-range pairing breaks also the conformal symmetry. This can be detected via the dynamics of entanglement following a quench. In the second part of the thesis we studied the evolution in time of the entanglement entropy for the Ising model in a transverse field varying linearly in time with different velocities. We found different regimes: an adiabatic one (small velocities) when the system evolves according the instantaneous ground state; a sudden quench (large velocities) when the system is essentially frozen to its initial state; and an intermediate one, where the entropy starts growing linearly but then displays oscillations (also as a function of the velocity). Finally, we discussed the Kibble-Zurek mechanism for the transition between the paramagnetic and the ordered phase.

Charge-transport simulations in organic semiconductors

In this thesis we have extended the methods for microscopic charge-transport simulations for organic semiconductors. In these materials the weak intermolecular interactions lead to spatially localized charge carriers, and the charge transport occurs as an activated hopping process between diabatic states. In addition to weak electronic couplings between these states, different electrostatic environments in the organic material lead to a broadening of the density of states for the charge energies which limits carrier mobilities.rnThe contributions to the method development includern(i) the derivation of a bimolecular charge-transfer rate,rn(ii) the efficient evaluation of intermolecular (outer-sphere) reorganization energies,rn(iii) the investigation of effects of conformational disorder on intramolecular reorganization energies or internal site energiesrnand (iv) the inclusion of self-consistent polarization interactions for calculation of charge energies.These methods were applied to study charge transport in amorphous phases of small molecules used in the emission layer of organic light emitting diodes (OLED).rnWhen bulky substituents are attached to an aromatic core in order to adjust energy levels or prevent crystallization, a small amount of delocalization of the frontier orbital to the substituents can increase electronic couplings between neighboring molecules. This leads to improved charge-transfer rates and, hence, larger charge-mobility. We therefore suggest using the mesomeric effect (as opposed to the inductive effect) when attaching substituents to aromatic cores, which is necessary for example in deep blue OLEDs, where the energy levels of a host molecule have to be adjusted to those of the emitter.rnFurthermore, the energy landscape for charges in an amorphous phase cannot be predicted by mesoscopic models because they approximate the realistic morphology by a lattice and represent molecular charge distributions in a multipole expansion. The microscopic approach shows that a polarization-induced stabilization of a molecule in its charged and neutral states can lead to large shifts, broadening, and traps in the distribution of charge energies. These results are especially important for multi-component systems (the emission layer of an OLED or the donor-acceptor interface of an organic solar cell), if the change in polarizability upon charging (or excitation in case of energy transport) is different for the components. Thus, the polarizability change upon charging or excitation should be added to the set of molecular parameters essential for understanding charge and energy transport in organic semiconductors.rnWe also studied charge transport in self-assembled systems, where intermolecular packing motives induced by side chains can increase electronic couplings between molecules. This leads to larger charge mobility, which is essential to improve devices such as organic field effect transistors, where low carrier mobilities limit the switching frequency.rnHowever, it is not sufficient to match the average local molecular order induced by the sidernchains (such as the pitch angle between consecutive molecules in a discotic mesophase) with maxima of the electronic couplings.rnIt is also important to make the corresponding distributions as narrow as possible compared to the window determined by the closest minima of thernelectronic couplings. This is especially important in one-dimensional systems, where charge transport is limited by the smallest electronic couplings.rnThe immediate implication for compound design is that the side chains should assist the self-assemblingrnprocess not only via soft entropic interactions, but also via stronger specific interactions, such as hydrogen bonding.rnrnrnrn

Computer simulations of colloidal fluids in confinement

Computer-Simulationen von Kolloidalen Fluiden in Beschränkten Geometrien Kolloidale Suspensionen, die einen Phasenübergang aufweisen, zeigen eine Vielfalt an interessanten Effekten, sobald sie auf eine bestimmte Geometrie beschränkt werden, wie zum Beispiel auf zylindrische Poren, sphärische Hohlräume oder auf einen Spalt mit ebenen Wänden. Der Einfluss dieser verschiedenen Geometrietypen sowohl auf das Phasenverhalten als auch auf die Dynamik von Kolloid-Polymer-Mischungen wird mit Hilfe von Computer-Simulationen unter Verwendung des Asakura-Oosawa- Modells, für welches auf Grund der “Depletion”-Kräfte ein Phasenübergang existiert, untersucht. Im Fall von zylindrischen Poren sieht man ein interessantes Phasenverhalten, welches vom eindimensionalen Charakter des Systems hervorgerufen wird. In einer kurzen Pore findet man im Bereich des Phasendiagramms, in dem das System typischerweise entmischt, entweder eine polymerreiche oder eine kolloidreiche Phase vor. Sobald aber die Länge der zylindrischen Pore die typische Korrelationslänge entlang der Zylinderachse überschreitet, bilden sich mehrere quasi-eindimensionale Bereiche der polymerreichen und der kolloidreichen Phase, welche von nun an koexistieren. Diese Untersuchungen helfen das Verhalten von Adsorptionshysteresekurven in entsprechenden Experimenten zu erklären. Wenn das Kolloid-Polymer-Modellsystem auf einen sphärischen Hohlraum eingeschränkt wird, verschiebt sich der Punkt des Phasenübergangs von der polymerreichen zur kolloidreichen Phase. Es wird gezeigt, dass diese Verschiebung direkt von den Benetzungseigenschaften des Systems abhängt, was die Beobachtung von zwei verschiedenen Morphologien bei Phasenkoexistenz ermöglicht – Schalenstrukturen und Strukturen des Janustyps. Im Rahmen der Untersuchung von heterogener Keimbildung von Kristallen innerhalb einer Flüssigkeit wird eine neue Simulationsmethode zur Berechnung von Freien Energien der Grenzfläche zwischen Kristall- bzw. Flüssigkeitsphase undWand präsentiert. Die Resultate für ein System von harten Kugeln und ein System einer Kolloid- Polymer-Mischung werden anschließend zur Bestimmung von Kontaktwinkeln von Kristallkeimen an Wänden verwendet. Die Dynamik der Phasenseparation eines quasi-zweidimensionalen Systems, welche sich nach einem Quench des Systems aus dem homogenen Zustand in den entmischten Zustand ausbildet, wird mit Hilfe von einer mesoskaligen Simulationsmethode (“Multi Particle Collision Dynamics”) untersucht, die sich für eine detaillierte Untersuchung des Einflusses der hydrodynamischen Wechselwirkung eignet. Die Exponenten universeller Potenzgesetze, die das Wachstum der mittleren Domänengröße beschreiben, welche für rein zwei- bzw. dreidimensionale Systeme bekannt sind, können für bestimmte Parameterbereiche nachgewiesen werden. Die unterschiedliche Dynamik senkrecht bzw. parallel zu den Wänden sowie der Einfluss der Randbedingungen für das Lösungsmittel werden untersucht. Es wird gezeigt, dass die daraus resultierende Abschirmung der hydrodynamischen Wechselwirkungsreichweite starke Auswirkungen auf das Wachstum der mittleren Domänengröße hat.

Non-parametric estimation of the diffusion coefficient of a branching diffusion with immigration

Wir betrachten Systeme von endlich vielen Partikeln, wobei die Partikel sich unabhängig voneinander gemäß eindimensionaler Diffusionen [dX_t = b(X_t),dt + sigma(X_t),dW_t] bewegen. Die Partikel sterben mit positionsabhängigen Raten und hinterlassen eine zufällige Anzahl an Nachkommen, die sich gemäß eines Übergangskerns im Raum verteilen. Zudem immigrieren neue Partikel mit einer konstanten Rate. Ein Prozess mit diesen Eigenschaften wird Verzweigungsprozess mit Immigration genannt. Beobachten wir einen solchen Prozess zu diskreten Zeitpunkten, so ist zunächst nicht offensichtlich, welche diskret beobachteten Punkte zu welchem Pfad gehören. Daher entwickeln wir einen Algorithmus, um den zugrundeliegenden Pfad zu rekonstruieren. Mit Hilfe dieses Algorithmus konstruieren wir einen nichtparametrischen Schätzer für den quadrierten Diffusionskoeffizienten $sigma^2(cdot),$ wobei die Konstruktion im Wesentlichen auf dem Auffüllen eines klassischen Regressionsschemas beruht. Wir beweisen Konsistenz und einen zentralen Grenzwertsatz.

Phosphonate ligands in extended inorganic hybrids and as radical units in complexes

Phosphonatliganden in erweiterten anorganischen Hybridmaterialien undrnals Radikalträgern in KomplexenrnrnAnorganisch-organische Hybridmaterialien sind in der Regel extrem vielseitig. Die systematische Darstellung von niederdimensionalen Materialien (eindimensionale Kettenverbindungen oder zweidimensionalen Schichtverbindungen) mit einer Kontrolle über die Art der Verbindung,rnbietet neue Möglichkeiten im Bereich des molekularen Magnetismus. Hier im Fall von Metall-Phosphonat Verbindungen in erweiterten anorganischen Hybriden wurde der pH - Wert während der Reaktion eingestellt, wodurch der Grad der Protonierung des Phosphonatliganden kontrolliert wurde. Aufgrund der Tatsache, dass alle erhaltenen Metall Phosphonatverbindungen neutral waren, konnte das Ligand zu Metallverhältnis erstmals vorhergesagt werden. So wurden mehrere neue Metall–Phosphonat Verbindungen im Bereich von Null-dimensionalen (I0O0, Co-Kristallisation von M(H2O)6 mitrndeprotonierten Phosphonatligand), über eindimensionalen (I1O0, Kettenstrukturen) bis hin zu zweidimensionalen (I2O0, Schichtstrukturen) ausführlich diskutiert in Bezug auf ihr magnetisches Verhalten. Im Allgemeinen sind die erwarteten Austauschwechselwirkungen in einem erweiterten anorganischen Hybridmaterial stark, weil oft ein Superaustausch durch ein einzelnes Sauerstoffatom möglich ist. Hier waren oft mehrere konkurrierende Austauschwechselwirkungen vorhanden, so dass kompliziertere magnetische Verhalten beobachtet wurden.rnrnDarüber hinaus wurden drei neue Beispiele von Nitronyl-Nitroxidradikale dargestellt, in denen eine zusätzliche saure Funktionalität eingeführt war. Die Auswirkungen des sauren Charakters der zusätzlich eingeführten Sulfonsäure oder Phosphonsäure-Gruppe auf das Nitronyl-Nitroxidradikal wurden im Detail zum ersten Mal untersucht. Die mit der Phosphonsäure-Gruppe versehenen Nitronyl-Nitroxidradikale sind perfekte Proben für die Untersuchung einer Spin-Verschiebung in Nitronyl-Nitroxidradikale durch EPR-Spektroskopie, aufgrund des eingeführten Phosphors. Auch der Protonierungsgrad der zusätzlich eingeführten Phosphonsäure-Gruppe wurde berücksichtigt. In dieser Arbeit wurden die ersten Metallkomplexe der neuen substituierten sauren Nitronyl-Nitroxidradikale vorgestellt. Die Koordination von Nickel(II) Metallionen an die saure, zweite funktionelle Gruppe des Nitronyl–Nitroxid Radikal wurde beschrieben. Die magnetische Austauschwechselwirkung der Metallionen untereinander und die Metall-Radikal-Austauschwechselwirkungen wurden untersucht. rnrnIm Allgemeinen können interessante molekulare magnetische Materialien dadurch dargestellt werden, dass die Dimension der Metall-Phosphonat-Verbindungen als Beispiele für die erweiterten anorganischen Hybridmaterialien gesteuert werden kann. Mit Nitronyl-Nitroxidradikale als organische Liganden können in Zukunft noch mehr Spin-Träger in anorganisch-organischen Gerüstmaterialien integriert werden um die magnetischen Eigenschaften zu verbesseren.rn

Stratospheric aerosol extinction retrieved from SCIAMACHY measurements in limb geometry

Stratosphärische Partikel sind typischerweise mit dem bloßen Auge nicht wahrnehmbar. Dennoch haben sie einen signifikanten Einfluss auf die Strahlungsbilanz der Erde und die heteorogene Chemie in der Stratosphäre. Kontinuierliche, vertikal aufgelöste, globale Datensätze sind daher essenziell für das Verständnis physikalischer und chemischer Prozesse in diesem Teil der Atmosphäre. Beginnend mit den Messungen des zweiten Stratospheric Aerosol Measurement (SAM II) Instruments im Jahre 1978 existiert eine kontinuierliche Zeitreihe für stratosphärische Aerosol-Extinktionsprofile, welche von Messinstrumenten wie dem zweiten Stratospheric Aerosol and Gas Experiment (SAGE II), dem SCIAMACHY, dem OSIRIS und dem OMPS bis heute fortgeführt wird. rnrnIn dieser Arbeit wird ein neu entwickelter Algorithmus vorgestellt, der das sogenannte ,,Zwiebel-Schäl Prinzip'' verwendet, um Extinktionsprofile zwischen 12 und 33 km zu berechnen. Dafür wird der Algorithmus auf Radianzprofile einzelner Wellenlängen angewandt, die von SCIAMACHY in der Limb-Geometrie gemessen wurden. SCIAMACHY's einzigartige Methode abwechselnder Limb- und Nadir-Messungen bietet den Vorteil, hochaufgelöste vertikale und horizontale Messungen mit zeitlicher und räumlicher Koinzidenz durchführen zu können. Die dadurch erlangten Zusatzinformationen können verwendet werden, um die Effekte von horizontalen Gradienten entlang der Sichtlinie des Messinstruments zu korrigieren, welche vor allem kurz nach Vulkanausbrüchen und für polare Stratosphärenwolken beobachtet werden. Wenn diese Gradienten für die Berechnung von Extinktionsprofilen nicht beachtet werden, so kann dies dazu führen, dass sowohl die optischen Dicke als auch die Höhe von Vulkanfahnen oder polarer Stratosphärenwolken unterschätzt werden. In dieser Arbeit wird ein Verfahren vorgestellt, welches mit Hilfe von dreidimensionalen Strahlungstransportsimulationen und horizontal aufgelösten Datensätzen die berechneten Extinktionsprofile korrigiert.rnrnVergleichsstudien mit den Ergebnissen von Satelliten- (SAGE II) und Ballonmessungen zeigen, dass Extinktionsprofile von stratosphärischen Partikeln mit Hilfe des neu entwickelten Algorithmus berechnet werden können und gut mit bestehenden Datensätzen übereinstimmen. Untersuchungen des Nabro Vulkanausbruchs 2011 und des Auftretens von polaren Stratosphärenwolken in der südlichen Hemisphäre zeigen, dass das Korrekturverfahren für horizontale Gradienten die berechneten Extinktionsprofile deutlich verbessert.

On the recurrence of random walks in Lévy random environments

This thesis investigates one-dimensional random walks in random environment whose transition probabilities might have an infinite variance. The ergodicity of the dynamical system ''from the point of view of the particle'' is proved under the assumptions of transitivity and existence of an absolutely continuous steady state on the space of the environments. We show that, if the average of the local drift over the environments is summable and null, then the RWRE is recurrent. We provide an example satisfying all the hypotheses.

Phenotypes of childhood asthma: are they real?

It has been suggested that there are several distinct phenotypes of childhood asthma or childhood wheezing. Here, we review the research relating to these phenotypes, with a focus on the methods used to define and validate them. Childhood wheezing disorders manifest themselves in a range of observable (phenotypic) features such as lung function, bronchial responsiveness, atopy and a highly variable time course (prognosis). The underlying causes are not sufficiently understood to define disease entities based on aetiology. Nevertheless, there is a need for a classification that would (i) facilitate research into aetiology and pathophysiology, (ii) allow targeted treatment and preventive measures and (iii) improve the prediction of long-term outcome. Classical attempts to define phenotypes have been one-dimensional, relying on few or single features such as triggers (exclusive viral wheeze vs. multiple trigger wheeze) or time course (early transient wheeze, persistent and late onset wheeze). These definitions are simple but essentially subjective. Recently, a multi-dimensional approach has been adopted. This approach is based on a wide range of features and relies on multivariate methods such as cluster or latent class analysis. Phenotypes identified in this manner are more complex but arguably more objective. Although phenotypes have an undisputed standing in current research on childhood asthma and wheezing, there is confusion about the meaning of the term 'phenotype' causing much circular debate. If phenotypes are meant to represent 'real' underlying disease entities rather than superficial features, there is a need for validation and harmonization of definitions. The multi-dimensional approach allows validation by replication across different populations and may contribute to a more reliable classification of childhood wheezing disorders and to improved precision of research relying on phenotype recognition, particularly in genetics. Ultimately, the underlying pathophysiology and aetiology will need to be understood to properly characterize the diseases causing recurrent wheeze in children.

Differential block coding of bilevel images

Abstract- In this correspondence, a simple one-dimensional (1-D) differencing operation is applied to bilevel images prior to block coding to produce a sparse binary image that can be encoded efficiently using any of a number of well-known techniques. The difference image can be encoded more efficiently than the original bilevel image whenever the average run length of black pixels in the original image is greater than two. Compression is achieved because the correlation between adjacent pixels is reduced compared with the original image. The encoding/decoding operations are described and compression performance is presented for a set of standard bilevel images.

Iron(III)-Pivalate-Based Complexes with Tetranuclear {Fe-4(mu(3)-O)(2)}(8+) Cores and N-Donor Ligands: Formation of Cluster and Polymeric Architectures

Different synthetic routes have been used for the preparation of a new tetranuclear [Fe4O2(O2CCMe3)(8)(bpm)] cluster (1) and a one-dimensional coordination polymer [Fe4O2-(O2CCMe3)(8)(hmta)](n) (2) (bpm = 2,2'-bipyrimidine and hmta = hexamethylenetetramine). For cluster 1, two structural isomers, 1a and 1b center dot 3MeCN, have been found. X-ray crystallographic analysis showed that all complexes consist of a central {Fe-4(mu(3)-O)(2)}(8+) core. In 1a, metal ions in the core are additionally linked by six bridging pivalates as two other pivalates and a bpm ligand are chelated to Fe-III ions, whereas in cluster 1b, metal ions in the {Fe-4(mu(3)-O)(2)}(8+) core are linked by seven bridging pivalates and only one carboxylate as well as bpm are chelated to the iron centers. In coordination polymer 2, [Fe4O2(O2CCMe3)(8)] clusters are bridged by hmta ligands to form zigzag chains. Magnetic measurements have been carried out to characterize these complexes and revealed antiferromagnetic interactions between Fe-III ions with best-fit parameters of J(wb) = -72.2 (1a) and -88.7 cm(-1) (1b) for wing...body interactions.

TALDICE-1 age scale of the Talos Dome deep ice core, East Antarctica

A new deep ice core drilling program, TALDICE, has been successfully handled by a European team at Talos Dome, in the Ross Sea sector of East Antarctica, down to 1620 m depth. Using stratigraphic markers and a new inverse method, we produce the first official chronology of the ice core, called TALDICE-1. We show that it notably improves an a priori chronology resulting from a one-dimensional ice flow model. It is in agreement with a posteriori controls of the resulting accumulation rate and thinning function along the core. An absolute uncertainty of only 300 yr is obtained over the course of the last deglaciation. This uncertainty remains lower than 600 yr over Marine Isotope Stage 3, back to 50 kyr BP. The phasing of the TALDICE ice core climate record with respect to the central East Antarctic plateau and Greenland records can thus be determined with a precision allowing for a discussion of the mechanisms at work at sub-millennial time scales.

Verifying Harder's Conjecture for Classical and Siegel Modular Forms

A conjecture by Harder shows a surprising congruence between the coefficients of “classical” modular forms and the Hecke eigenvalues of corresponding Siegel modular forms, contigent upon “large primes” dividing the critical values of the given classical modular form. Harder’s Conjecture has already been verified for one-dimensional spaces of classical and Siegel modular forms (along with some two-dimensional cases), and for primes p 37. We verify the conjecture for higher-dimensional spaces, and up to a comparable prime p.

An integrative transcranial magnetic stimulation mapping technique using non-linear curve fitting

The aim of this study is to develop a new simple method for analyzing one-dimensional transcranial magnetic stimulation (TMS) mapping studies in humans. Motor evoked potentials (MEP) were recorded from the abductor pollicis brevis (APB) muscle during stimulation at nine different positions on the scalp along a line passing through the APB hot spot and the vertex. Non-linear curve fitting according to the Levenberg-Marquardt algorithm was performed on the averaged amplitude values obtained at all points to find the best-fitting symmetrical and asymmetrical peak functions. Several peak functions could be fitted to the experimental data. Across all subjects, a symmetric, bell-shaped curve, the complementary error function (erfc) gave the best results. This function is characterized by three parameters giving its amplitude, position, and width. None of the mathematical functions tested with less or more than three parameters fitted better. The amplitude and position parameters of the erfc were highly correlated with the amplitude at the hot spot and with the location of the center of gravity of the TMS curve. In conclusion, non-linear curve fitting is an accurate method for the mathematical characterization of one-dimensional TMS curves. This is the first method that provides information on amplitude, position and width simultaneously.

The Two-Interval Line-Segment Problem

In this paper, the NPMLE in the one-dimensional line segment problem is defined and studied, where line segments on the real line through two non-overlapping intervals are observed. The self-consistency equations for the NPMLE are defined and a quick algorithm for solving them is provided. Supnorm weak convergence to a Gaussian process and efficiency of the NPMLE is proved. The problem has a strong geological application in the study of the lifespan of species.

MODELING FUNCTIONAL DATA WITH SPATIALLY HETEROGENEOUS SHAPE CHARACTERISTICS

We propose a novel class of models for functional data exhibiting skewness or other shape characteristics that vary with spatial or temporal location. We use copulas so that the marginal distributions and the dependence structure can be modeled independently. Dependence is modeled with a Gaussian or t-copula, so that there is an underlying latent Gaussian process. We model the marginal distributions using the skew t family. The mean, variance, and shape parameters are modeled nonparametrically as functions of location. A computationally tractable inferential framework for estimating heterogeneous asymmetric or heavy-tailed marginal distributions is introduced. This framework provides a new set of tools for increasingly complex data collected in medical and public health studies. Our methods were motivated by and are illustrated with a state-of-the-art study of neuronal tracts in multiple sclerosis patients and healthy controls. Using the tools we have developed, we were able to find those locations along the tract most affected by the disease. However, our methods are general and highly relevant to many functional data sets. In addition to the application to one-dimensional tract profiles illustrated here, higher-dimensional extensions of the methodology could have direct applications to other biological data including functional and structural MRI.