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Phononenkopplung und Schaltung im elektrischen Feld von Exzitonen in Halbleiternanokristallen
No full textThe optical and electronic properties of semiconductor nanocrystal (NC) are governed by the charge-carrier localization. One possibility to gain information about the charge-carrier localization is through exciton–phonon coupling. In semiconductors, exciton–phonon coupling plays a central role, as it limits the homogeneous emission line width and the coherence of emitted photons, as well as relaxation processes. Therefore, a profound understanding of exciton–phonon coupling is needed to improve the properties of NCs. However, experimental results and sophisticated calculations of exciton–phonon coupling show discrepancies. Hitherto, most research on exciton–phonon coupling was primarily focused on ensemble measurements, and single-particle spectroscopy data is lacking. Another important aspect in NCs is the presence of surface charges because they can strongly influence excitons, which limits the emission linewidth of NC and is presumed to affect exciton–phonon coupling.
In this work, single-particle photoluminescence (PL) spectroscopy at cryogenic temperatures was used to measure the optical properties of semiconductor heteronanocrystals with different charge-carrier localizations. It was investigated how the charge-carrier localization affects exciton–phonon coupling when the band alignment changes from type-II to type-I. For this purpose, Zn1−xCdxSe/CdS dot-in-rod nanocrystals (DRs) with different Cd fraction x and CdSe/CdS DRs were analyzed. Statistical single-particle spectroscopy revealed that the relative intensities of the first-order longitudinal optical phonons reflect the change in charge-carrier localization. A new model was developed to predict the strength of exciton–phonon coupling. This model derives the strength of exciton–phonon coupling from the difference of electron and hole localization, weighted by material and particle-dependent coupling constants. Quantum mechanical calculations of the exciton were carried out within the effective-mass approximation to support the data evaluation. It was revealed that the derived coupling constants share similarities with Fröhlich coupling constants, which are used in bulk. Moreover, the calculations allowed for the estimation of the partially unknown Cd fractions x. Accounting for surface charges in the calculations revealed that they strongly affect the exciton–phonon coupling. Furthermore, the results of this work strongly suggest that surface charges have a strong effect on exciton–phonon coupling. Single-particle spectroscopy of CdSe/CdS quantum dots showed that an increase in the shell thickness leads to a distinct increase in the exciton–phonon coupling. By applying external electric fields, the charge-carrier localization in DRs was manipulated during spectroscopy. Measurements of CdSe/CdS and ZnSe/CdS DRs revealed that the magnitude of exciton–phonon coupling can be controlled by these electric fields. Moreover, multiple new effects were found that are linked to surface charges. These effects include blue-shifts of the emission in CdSe/CdS DRs, the memory effect of the previous electric field direction, directed spectral diffusion, and induced repeatable spectral jumps.Die optischen und elektronischen Eigenschaften von Halbleiter-Nanokristallen NCs werden durch die Ladungsträgerlokalisation bestimmt. Hierbei stellt die Exziton-Phonon-Kopplung eine Möglichkeit dar, um Informationen über die Ladungsträgerlokalisation zu erhalten. In Halbleitern spielt Exziton–Phonon-Kopplung eine zentrale Rolle, da sie die homogene Linienbreite der Emission und die Kohärenz von emittierten Photonen, sowie Relaxationsprozesse limitiert. Daher ist ein tiefgreifendes Verständnis über die Exziton-Phonon-Kopplung notwendig, um diese Eigenschaften von NCs für Anwendungen zu verbessern. Ein Problem besteht darin, dass bisherige experimentelle Ergebnisse und theoretische Vorhersagen der Exziton–Phonon-Kopplung voneinander abweichen. Bisher war zudem der Großteil der Forschung von Exziton–Phonon-Kopplung primär auf Ensemblemessungen fokussiert. Daher mangelt es an Daten, die mittels Einzelteilchenspektroskopie gemessen wurden. Ein weiterer wichtiger Aspekt in Nanokristallen, welcher die Linienbreite der Emission und vermutlich die Exziton–Phonon-Kopplung beeinflusst, ist die Wechselwirkung von Exzitonen mit Oberflächenladungen.
In dieser Arbeit wurde Einzelteilchenspektroskopie bei kryogenen Temperaturen durchgeführt, um die optischen Eigenschaften von Halbleiter-NCs zu messen. Es wurde untersucht wie die Ladungsträgerlokalisation die Exziton–Phonon-Kopplung beeinflusst, wenn sich die Bandanordnung von Typ-II zu Typ-I ändert. Zu diesem Zweck wurden Kugel-in-Stab-Nanokristalle (DRs) aus Zn1−xCdxSe/CdS mit verschiedenen Cd-Anteilen x untersucht. Hierbei wurde über statistische Einzelteilchenspektroskopie festgestellt, dass die relativen Intensitäten der longitudinalen optischen Phononen erster Ordnung die Änderungen der Ladungsträgerlokalisation widerspiegelten. Darüber hinaus wurde ein neues Modell entwickelt, um die Stärke der Exziton–Phonon-Kopplung vorherzusagen. Dieses Modell leitet die Stärke der Exziton–Phonon-Kopplung aus der Differenz der Lokalisation von Elektron und Loch her, die mit material- und teilchen-spezifischen Kopplungskonstanten gewichtet wurden. Zur Auswertung der experimentellen Daten wurden quantenmechanische Berechnungen des Exzitons durchgeführt, wobei die effektive-Masse-Näherung verwendet wurde. Dabei wurde aufgedeckt, dass diese Kopplungskonstanten Ähnlichkeiten mit Fröhlich-Konstanten aufweisen, welche im makroskopischen Fall genutzt werden. Zudem erlaubten die Berechnungen eine Einschätzung der zum Teil unbekannten Cd-Anteile x. Des Weiteren enthüllten die Ergebnisse dieser Arbeit, dass Oberflächenladungen die Exziton–Phonon-Kopplung stark beeinflussen. Weitere Einzelteilchenmessungen von CdSe/CdS Quantenpunkten zeigten, dass eine Zunahme der Schalendicke zu einem deutlichen Anstieg der Exziton–Phonon-Kopplung führt. Die Ladungsträgerlokalisation wurde ebenfalls durch externe elektrische Felder variiert. Hierbei enthüllten spektroskopische Untersuchungen von CdSe/CdS- und Zn1−xCdxSe/CdS-DRs, dass die Stärke der Exziton–Phonon-Kopplung durch elektrischen Felder kontrolliert werden kann. Darüber hinaus wurden mehrere neue Effekte entdeckt, welche mit Oberflächenladungen zusammenhängen. Diese Effekte beinhalten die Blauverschiebung der Emission von CdSe/CdS-DRs, einen "Gedächtniseffekt" der CdSe/CdS-DRs aufgrund der vorherigen elektrischen Feldrichtung, eine gerichtete spektrale Diffusion und induzierte wiederholbare spektrale Sprünge
Generation and fiber-based distribution of high-bandwidth entanglement for continuous variable quantum key distribution
No full textEntanglement is a key resource in many quantum information tasks, from quantum computing to quantum key distribution. In quantum key distribution in particular, use of entanglement enables protocols that are one-sided device independent. The source of its security are the inability to clone a quantum state as stated by the no-cloning theorem, as well as that the entanglement strength monotonically decreases if information is lost. The total decoherence experienced by the entangled state places an upper bound on the information an adversary could have gained while eavesdropping. Use of high bandwidth entangled states increases the key rate of such a protocol.
During this thesis I investigated the feasibility of distributing a continuous variable Einstein-Podolski-Rosen entangled state over a noisy channel for use in a one-sided device independent quantum key distribution protocol in an applied setting. To maximize the potential data rate I designed and set up two GHz bandwidth homodyne detectors as well as two GHz bandwidth monolithic squeezed light sources which constituted the entanglement source. The squeezed light sources individually produced states exhibiting a noise reduction of up to 6.5 dB compared to shot noise at 30 MHz and 2.9 dB at a frequency above 1 GHz. By combining the two squeezed states I produced an entangled state that showed a 4.2 dB reduced variance relative to the combined shot noise of the measured light. This allowed to infer a violation of the EPR-Reid criterion. I distributed the entangled state between two separate buildings on campus via a 1 km long optical fiber link. Transmitting one part of the entangled state through the fiber link, the entanglement showed little degradation. The peak relative noise reduction remained at up to 3.7 dB below the combined shot noise over a 10 MHz wide frequency band. I used this band to generate a raw key pair at 336 kbit s^−1. Additionally, a 250 MHz wide frequency band remained free of other noise sources at more than 2.0 dB below combined shot noise. Improving the initial squeezing factor of both sources can extend the violation of the EPR-Reid criterion to this band, enabling its use for key generation and thus increasing the key rate.
This result demonstrates the viability of a continuous variable quantum key distribution protocol based on two-mode squeezed states in the presence of typical environmental noise sources. Stabilizing the readout quadrature would further increase the raw key rate to 50 Mbit s^−1.Verschränkung bildet eine der zentralen Resourcen der Quanteninformation, mit Anwendungen in Quantencomputern und Quantenschlüsselverteilung. Besonders in der Quantenschlüsselverteilung ermöglicht der Einsatz von Verschränkung einseitig geräteunabhängige Protokolle. Ursprung dieser erhöhten Sicherheit ist, dass die Stärke der Verschränkung monoton mit Informationsverlust abnimmt, sowie das No-Cloning Theorem, welches es verbietet eine exakte Kopie eines beliebigen Quantenzustands zu erzeugen. Die Gesamtdekohärenz der verschränkten Zustände setzt eine obere Grenze für die Information, die bei einem Abhörversuch erlangt worden sein kann. Die Schlüsselrate dieser Protokolle skaliert dabei mit der Bandbreite der Verschränkung.
In dieser Doktorarbeit untersuchte ich die Realisierbarkeit der Verteilung eines Einstein-Podolski-Rosen verschränkten Zustands über einen realen rauschbehafteten Kanal. Der explizite Schwerpunkt lag auf der Verwendung der Zustands in einem einseitig geräteunabhängigen Quantenschlüsselverteilungsprotokol. In dieser Zeit entwarf ich zwei Quetschlichtquellen, die den verschränkten Zustand erzeugten, sowie zwei Homodyndetektoren, um diesen zu vermessen. Dabei wählte ich die Bandbreite von Lichtquellen und Detektoren im GHz Bereich, um die erreichbare Schlüsselrate zu maximieren. Einzeln vermessen produzierten die Quetschlichtquellen Zustände mit einem reduzierten Quantenrauschen von bis zu 6.5 dB unter dem Schrotrauschen bei 30 MHz Seitenbandfrequenz, sowie eine Reduktion von 2.9 dB über 1 GHz Seitenbandfrequenz. Durch Überlagerung der beiden gequetschten Zustände erzeugte ich einen verschränkter Zustand, der eine Varianz von 4.2 dB unter dem kombinierten Schrotrauschen des gemessenen Lichts erreichte. Daraus konnte ich eine Veletzung des EPR-Reid Kriteriums ableiten. Den verschränkte Zustand verteilte ich zwischen zwei unterschiedlichen Gebäuden auf dem Campus mittels einer 1 km langen optischen Glasfaser. Nach der Transmission durch die Faser sank der Spitzenwert auf 3.7 dB, gemessen über ein 10 MHz breites Frequenzband. Dieses Frequenzband nutzte ich, um einen Rohschlüssel mit einer Rohschlüsselrate von 336 kbit s^−1 zu generieren. Ein weiteres 250 MHz breites Frequenzband zeigte eine Varianz von mehr als 2.0 dB unter dem kombinierten Schrotrauschen. Ein höherer initialer Quetschfaktor kann eine Verletzung des EPR-Reid Kriterium in diesem Frequenzband ermöglichen. Dies würde das Frequenzband zusätzlich für die Schlüsselgenerierung eröffnen und so die Schlüsselrate zu erhöhen.
Die Ergebnisse dieser Arbeit demonstrieren die Umsetzbarkeit eines Quantenschlüsselverteilungsprotokolls basierend auf Zwei-Moden gequetschten Zuständen in einer verrauschten Umgebung. Durch Stabilisierung der Auslesequadratur kann die Rohschlüsselrate weiter auf bis zu 50 Mbit s^−1 erhöht werden
Actinomyosin-Motilität auf neuartigen Materialsystmen und automatisierte Filamentverfolgung
No full textMiniaturisierte Sensorplattformen wie Lab-on-a-Chip-Geräte bergen ein enormes Potenzial für Anwendungen, die von Point-of-Care-Diagnostik bis hin zur Umweltüberwachung reichen. Ihr Einfluss bleibt jedoch durch das Fehlen kompakter und effizienter Transportsysteme begrenzt: Während Sensoren hinsichtlich Sensitivität und Spezifität kontinuierlich verbessert werden, schränkt die Integration sperriger Pumpen die Portabilität und Skalierbarkeit ein. Die Biologie bietet hier eine grundlegend andere Lösung, bei der molekulare Motoren chemische Energie direkt in gerichtete Bewegung umwandeln. Die Nutzung solcher nanoskaligen Transportsysteme könnte das fehlende Element für autonome und kompakte Geräte liefern.
Diese Dissertation untersucht das Potenzial der Aktomyosin-Motilität als Transportsystem in Mikro- und Nanogeräten. Zunächst wurde ein temperaturunterstütztes Gasphasen-Silanisierungsprotokoll entwickelt und systematisch mit verschiedenen Silanen evaluiert. Zwei sichere langkettige Silane, Perfluor-octyltrichlorsilan (FOTCS) und Perfluor-dodecyltrichlorsilan (FDDTCS), wurden als geeignete Alternativen zu gefährlichen kurzkettigen Silanen identifiziert. Unter diesen zeigte FOTCS optimale Oberflächeneigenschaften, mit Wasser-Kontaktwinkeln von 88,1° ± 1,1° und geringer Rauigkeit (1,39 nm RMS), wodurch eine robuste Aktomyosin-Motilität mit motilen Fraktionen über 85 % und Gleitgeschwindigkeiten von 3,9 ± 1,2 µm/s ermöglicht wurde. Das Protokoll erwies sich als schnell, reproduzierbar und übertragbar auf verschiedene Substrate, einschließlich polymerbasierter Materialien, die für die Geräteherstellung relevant sind, wobei motile Fraktionen von nahezu 70 % erreicht wurden.
Im zweiten Schritt wurde der Warentransport etabliert, indem Aktinfilamente über Biotin-Streptavidin-Binder an nanoskalige Fracht gekoppelt wurden. Während die Gleitgeschwindigkeiten weitgehend unverändert blieben, nahmen die motilen Fraktionen aufgrund von Filamentvernetzungen und sterischen Effekten ab, was die Bedeutung von Linker-Chemie und Filamentorganisation als Schlüsselfaktoren für die Leistungsfähigkeit unterstreicht.
Abschließend wurde in Zusammenarbeit mit der Conde-Gruppe (Universität Kantabrien) eine automatisierte Tracking-Pipeline für In-vitro-Motilitätsassays entwickelt. Durch die Integration von Non-Local-Means-Denoising, hybrider Segmentierung und dichter optischer Flussberechnung konnten Geschwindigkeitsverteilungen aus Tausenden von Filamenten pro Bedingung extrahiert werden. Die Ergebnisse entsprachen den manuellen Analysen, bei gleichzeitig deutlich gesteigertem Durchsatz und statistischer Robustheit.
Insgesamt definieren diese Ergebnisse methodische Strategien und operative Grenzen für den Einsatz von Aktomyosin im nanoskaligen Transport. Durch die Kombination von sicherer und skalierbarer Oberflächenmodifikation mit Proof-of-Concept-Frachttransport und automatisierter Datenanalyse trägt diese Arbeit dazu bei, die Übertragung der Aktomyosin-Motilität von der Grundlagenbiophysik hin zu praktischen nanotechnologischen Anwendungen voranzutreiben.Miniaturized sensing platforms such as lab-on-a-chip devices hold great promise for applications ranging from point-of-care diagnostics to environmental monitoring. Their impact, however, remains limited by the lack of compact and efficient transport mechanisms: while sensors continue to improve in sensitivity and specificity, the integration of bulky pumps restricts portability and scalability. Biology offers a radically different solution, where molecular motors convert chemical energy directly into directional motion. Harnessing such nanoscale transport systems could provide the missing piece for autonomous and compact devices.
This thesis explores the potential of actomyosin motility as a transport mechanism in micro- and nanodevices. First, a temperature-assisted gas-phase silanization protocol was developed and systematically evaluated using different silanes. Two safer long-chain silanes, perfluoro-octyltrichlorosilane (FOTCS) and perfluoro-dodecyltrichlorosilane (FDDTCS), were identified as viable alternatives to hazardous short-chain silanes. Among them, FOTCS yielded optimal surface properties, with water contact angles of 88.1° ± 1.1° and low roughness (1.39 nm RMS), enabling robust actomyosin motility with motile fractions above 85% and sliding velocities of 3.9 ± 1.2 µm/s. The protocol proved rapid, reproducible, and transferable across substrates, including polymeric materials relevant for device fabrication, where motile fractions near 70% were achieved.
Second, cargo transport was established by coupling actin filaments to nanoscale cargos via biotin–streptavidin linkers. While motile velocities remained largely unaffected, motile fractions decreased due to filament crosslinking and steric effects, highlighting linker chemistry and filament organization as key performance factors.
Finally, an automated tracking pipeline for in vitro motility assays was developed in collaboration with the Conde group (University of Cantabria). Integrating non-local means denoising, hybrid segmentation, and dense optical flow, the workflow extracted velocity distributions from thousands of filaments per condition. It reproduced manual analysis results while greatly increasing throughput and statistical robustness.
Together, these results define methodological strategies and operational limitations for employing actomyosin in nanoscale transport. By combining safer and scalable surface modification with proof-of-concept cargo transport and automated data analysis, this work advances the translation of actomyosin motility from fundamental biophysics toward practical nanotechnological applications
Physics from low frequency observations of nearby galaxies
No full textDiese Arbeit konzentriert sich auf zwei Möglichkeiten, wie wir die niederfrequente Synchrotronstrahlung nutzen können, um mehr über die physikalischen Prozesse in nahen Galaxien zu erfahren. Das LOw-Frequency ARray (LOFAR) wird in dieser Arbeit als primäres Beobachtungsinstrument eingesetzt, da es über einzigartige Niederfrequenzfähigkeiten, ein grosses Gesichtfeld, hohe Empfindlichkeit und Winkelauflösung verfügt.
Der erste Teil dieser Arbeit untersucht die Abflachung des Radiospektrums bei niedrigen Frequenzen in Spiralgalaxien. Ein gründliches Verständnis der Radioemission bei niedrigen Frequenzen ist wichtig, wenn wir Radiobeobachtungen nutzen wollen, um die Sternentstehung in Galaxien zu verfolgen. Die beobachteten Objekte sind: die Galaxie M 51 als Ganzes und die Sternentstehungsgebiete (HII-Regionen) der Galaxie M 101. Zur Analyse von M 51 verwende ich Intensitätskarten der Radiokontinuumsstrahlung zwischen 54 und 8350 MHz in acht verschiedenen Frequenzbändern. Beobachtungen mit LOFAR bei 54 MHz waren entscheidend, weil die Abflachung bei höheren Frequenzen nicht vorhanden ist. Ich finde keine räumliche Korrelation zwischen der Abflachung und dem ionisierten interstellaren Medium (ISM), was zu erwarten wäre, wenn die Abflachung durch Absorption des frei-frei Strahlungsprozesses verursacht wird. Stattdessen finde ich eine Korrelation mit dem neutralen ISM, was darauf hindeutet, dass Ionisationsverluste durch kosmische Strahlung (cosmic rays, CR) eine wichtige Rolle spielen, möglicherweise neben inverse Bremsstrahlung. In M 101 analysiere ich nur die riesigen HII-Regionen in vier Frequenzbändern zwischen 54 und 4850 MHz. Ich finde eine signifikante Abflachung bei niedrigen Frequenzen, die mit Modellen der inverse Bremsstrahlung in den Zentren der meisten ausgewählten HII-Regionen angepasst werden kann. Die Abflachung kann nur in einem kleinen Bereich im Zentrum der HII-Region nachgewiesen werden, was hochauflösende Radiobeobachtungen erfordert. Dies sind die ersten Nachweise der niederfrequenten Abflachung in durchschnittlichen Spiralgalaxien.
Der zweite Teil dieser Arbeit befasst sich mit der Suche nach annihilierender Dunkler Materie (DM), insbesondere nach schwach wechselwirkenden massiven Teilchen (weakly interacting massive particles, WIMPs). Ich beobachte sphäroidische Zwerggalaxien (dwarf spheroidal galaxies, dSph), in denen WIMPs annihilieren sollten und die dabei entstehenden Teilchen Synchrotronstrahlung im Radioband emittieren, wenn in dSph ausreichend starke Magnetfelder existieren. Da kein Signal entdeckt wird, verwende ich das Wissen über die CR-Ausbreitung und die erwartete Synchrotronstrahlung, um den WIMP-Annihilationsquerschnitt zu begrenzen. Ich verwende LOFAR-Beobachtungen von sechs dSph bei 150 MHz. Da das Magnetfeld und der Diffusionskoeffizient in dSph unsicher sind, konstruiere ich drei Szenarien mit unterschiedlichen Werten dieser Parameter: ein optimistisches, ein mittleres und ein pessimistisches Szenario. Die besten Grenzen des mittleren Szenarios schließen den thermischen Reliktquerschnitt von WIMPs (<σv> ≈ 2,2 · 10^-26 cm^3 s^-1) unterhalb von 20 GeV, und die besten Grenzwerte des optimistischen Szenarios schließen thermische WIMPs unterhalb von 70 GeV aus. Meine mittleren Grenzen sind konkurrenzfähig im Vergleich zu den Fermi-LAT-Grenzen aus γ-Strahlenbeobachtungen mehrerer Zwerggalaxien. In diesem Teil zeige ich, wie gut niederfrequente Radiobeobachtungen die DM-Eigenschaften einschränken und wie Radiosuchen andere DM-Suchen ergänzen können.
Zusammenfassend kann man sagen, dass ich niederfrequente Radiobeobachtungen verwende, um Ergebnisse zu erzielen, die von der grundlegenden Frage der Dunklen Materie bis hin zu der sehr spezifischen Frage der Sternentstehung in Galaxien reichen. Die Synchrotronstrahlung von CR steht im Mittelpunkt dieser Arbeit, und ich untersuche Abweichungen davon, wie sie bekanntermaßen in Galaxien erzeugt wird. Die Beobachtung von nahe gelegenen Galaxien bedeutet, dass ich mit einer hohen physikalischen Auflösung beobachten kann und ermöglicht es, bisher unbekannte Effekte zu unterscheiden und zu entdecken.
In Zukunft werden das LOFAR2.0-Update, einschließlich eines umfangreichen DM-Suchprogramms, und neue theoretische Modelle zu einem besseren Verständnis von CR in Galaxien führen, unabhängig davon, ob sie bei der Sternentstehung oder bei der DM-Annihilation entstehen.This thesis focuses on two ways we can use the low-frequency synchrotron signal to learn about physical processes in nearby galaxies. The LOw-Frequency ARray (LOFAR) is used as the primary observational tool in this thesis, because of its unique low-frequency capabilities, wide field of view, high sensitivity and angular resolution.
The first part of this thesis studies the flattening of the radio spectrum at low frequencies in spiral galaxies. A thorough understating of radio emission at low frequencies is important if we want to use radio observations to trace star formation in galaxies. I have two observational targets: the galaxy M 51 as a whole and the star-forming (HII) regions of the galaxy M 101. To analyse M 51, I use radio continuum intensity maps between 54 and 8350 MHz at eight different frequency bands. LOFAR observations at 54 MHz were crucial because the flattening is not present at higher frequencies. I do not find any spatial correlation between the flattening and ionised interstellar medium (ISM), which is expected if the flattening is caused by free-free absorption. Instead, I find a correlation with the neutral ISM, which suggests that cosmic ray (CR) ionisation losses play an important role, possibly alongside free--free absorption. In M 101, I analyse only the giant HII regions at four frequency bands between 54 and 4850 MHz. I find a significant low-frequency flattening that can be fitted with free-free absorption models at the centres of most selected HII regions. The flattening can be detected only in a small area at the centre of the HII region, which requires high resolution radio observations. These are the first detections of the low-frequency flattening in average spiral galaxies.
The second part of this thesis is the search for annihilating dark matter (DM), specifically weakly interacting massive particles (WIMPs). I observe dwarf spheroidal galaxies (dSph) in which WIMPs should annihilate and the particles produced in this annihilation emit synchrotron radiation in the radio band, if strong enough magnetic fields exist in dSph. Since no signal is detected, I use the knowledge of CR propagation and expected synchrotron emission to put limits on the WIMP annihilation cross-section. I use LOFAR observations of six dSph at 150\,MHz. Because the magnetic field and diffusion coefficient in dSph is uncertain, I construct three scenarios with different values of those parameters: optimistic, intermediate, and pessimistic scenario. The best limits from the intermediate scenario exclude the thermal relic cross section of WIMPs (<σv> ≈ 2,2 · 10^-26 cm^3 s^-1) below 20 GeV, and the best limits from the optimistic scenario exclude thermal WIMPs below 70 GeV. My intermediate limits are competitive compared to the Fermi-LAT limits from γ-ray observations of multiple dwarf galaxies. In this part, I show the power of low frequency radio observations in constraining DM properties and how radio searches can complement other DM searches.
In summary, I use low frequency radio observations to produce results spanning from the fundamental question of dark matter to the highly specific question of star formation in galaxies. Synchrotron emission by CRs is at the centre of this work and I explore deviations from how it is known to be produced in galaxies. Observing nearby galaxies means that I can observe with a high physical resolution and makes it possible to distinguish and detect previously unknown effects.
In the future, the LOFAR2.0 update, including a large DM search program, and new theoretical models will lead to better understanding of CRs in galaxies, whether they are produced in star formation or DM annihilation
Defects in non-semisimple 3d topological field theory and 2d logarithmic conformal field theory
Get PDFIn this thesis, we study the connection between three-dimensional topological field theories (TFTs) and two-dimensional conformal field theories (CFTs). More specifically, we extend the "TFT construction of RCFT correlators'' of Fuchs, Runkel, Schweigert and others from rational to so-called finite logarithmic CFTs. For these, the chiral data is encoded in a modular tensor category C, which is not necessarily semisimple, but still finite.
Our first main result is the explicit construction of a 2-categorical version of Lyubashenko's modular functor in terms of the non-semisimple 3d TFT of De Renzi et al constructed from C. We also extend this modular functor to a 2-category of "topological world sheets'' in order to account for boundary conditions and topological defects. Based on this, our second main result consists of an explicit construction of a full CFT, in the form of a braided monoidal oplax natural transformation, using surface defects in the non-semisimple 3d TFT. As an example, we consider the case of the simplest surface defect, the transparent one, and show that our results match the expectations from the literature for the so-called diagonal or charge-conjugate CFT.In dieser Doktorarbeit wird der Zusammenhang zwischen drei dimensionalen topologischen Feldtheorien (TFTs) und zwei dimensionalen konformen Feldtheorien untersucht. Genauer gesagt erweitern wir die "TFT construction of RCFT correlators'' von Fuchs, Runkel, Schweigert und weiteren Koautoren vom Fall rationaler zu so genannten endlichen logarithmischen konformen Feldtheorien. Für diese Theorien sind die chiralen Daten in einer modularen Tensorkategorie C, welche endlich aber nicht unbedingt halbeinfach ist, verpackt.
Unser erstes Hauptresultat ist die explizite Konstruktion einer 2-kategorischen Version von Lyubashenko's modularen Funktor mittels der aus C konstruierten, nicht-halbeinfachen 3d TFT von De Renzi und Koautoren. Zudem erweitern wir diesen modularen Funktor auf eine 2-Kategorie von "topologischen Weltflächen'' um sowohl Randbedingungen als auch topologische Defekte beschreiben zu können. Darauf aufbauend ist unser zweites Haupresultat die explizite Konstruktion einer vollen konformen Feldtheorie, axiomatisiert als eine oplax-natürliche Transformation, mittels Flächendefekten in der nicht halbeinfachen 3d TFT. Als Beispiel betrachten wir unsere Konstruktion im Fall für den einfachsten Flächendefekt, den transparenten, und zeigen, dass unsere Resultate die Erwartungen für die so genannte diagonale bzw. "charge-conjugate'' Theorie reproduzieren
Dünnschichtfilme basierend auf Titania Nanopartikeln: Photoaktivierte Sensoren für Dämpfe und elektromechanische Aktuatoren
Get PDFReviving Traditional Dyes: The Role of Lawsonia inermis L. in Modern Hair Coloration
Get PDFThis work aimed to improve the convenience and performance of plant-based henna hair coloration. In the EU, henna is mostly sold as powder to be mixed into a paste, limiting formulation innovation and user convenience. To simplify application, the release of lawsone (2-hydroxy-1,4-naphthoquinone) was investigated. Lawsonerich extracts and pastes stored for 8 weeks showed marked degradation and loss of dyeing efficacy due to light-induced degradation and oxidation to quinonoid species, underscoring that lawsone content alone is an unreliable performance and safety metric. This highlighted the need to shift focus to naturally occurring and stable precursors – the monoglycosidic hennosides. Coloration systems reliant on hennosides necessitated precursor extraction from raw material followed by enzymatic hydrolysis shortly before application. Extract analysis was enabled by isolating hennoside A (1,2,4-trihydroxynaphthalene-1-O-glucoside), the only monoglycosidic lawsone precursor present in the Moroccan henna used, via ethanolic Soxhlet extraction and reverse-phase column chromatography. The isolate was characterized (NMR, HPLC, ESI-TOF) and used as a quantitative standard for the developed and validated HPLC method.
To contextualize hennoside-based coloration, a benchmark system using a 4% w/v henna suspension (pH 4.3–4.8, 15 min extraction at 23±2 ◦C, 30 min coloration) was established. Soxhlet extraction yielded the highest total hennoside amount regarding input mass (5.2±0.7%), while optimized ethanolic maceration (40 ◦C, 3 h) gave comparable yields. A pilot-scale ethanol:water (8:2, v/v) maceration delivered a hennoside-rich extract (27% w/w) suitable for product formulation.Hydrogel formulations containing the pilot-plant extract were activated immediately before application with a fermentation product containing fungal β-glucosidase (5–10%), triggering in situ conversion of hennosides to lawsone. Over 8 weeks, the gel matched fresh, traditional paste in color intensity and wash fastness while improving texture and ease of use. Overall, the work establishes hennoside as a stable, quantifiable precursor and provides a pathway to henna-based formulations that increase convenience without compromising performance
Effects of dynamical processes on atmospheric Kelvin wave variability
Get PDFEquatorial Kelvin waves (KWs) contribute significantly to the variability of the tropical atmospheric circulation; therefore, it is important to understand their excitation mechanisms, energetics and interactions with other waves and the mean flow. Kelvin waves are a part of the circulation response to latent heat release in the tropics. Additionally, several studies have shown that dynamical processes related to Rossby waves in the subtropics can act as KW sources. However, the dynamical mechanisms and their relative influences compared to diabatic processes are not conclusively understood. In this thesis, KW energy sources resulting from dynamical and diabatic processes are systematically compared using atmospheric data, with a focus on stationary KWs. The dynamical KW energy source mainly results from wave-mean flow interactions, both in the atmosphere and in idealized shallow-water model simulations.
The methodology is based on expanding the circulation in terms of normal-mode functions on the sphere to identify Kelvin waves, Rossby waves, inertia-gravity waves and mixed Rossby-gravity waves. Wave-mean flow interactions and wave-wave interactions of these modes are quantified to disentangle the mechanisms constituting the KW energy sources. This method allows for a consistent comparison of idealized shallow-water model simulations with reanalysis data. For the analysis of three-dimensional data, a numerical framework was developed that quantifies the dynamical processes, specifically the advection of momentum and temperature, based on the normal-mode expansion coefficients. For diabatic processes, the momentum and temperature tendencies due to parametrizations in ERA5 data are used.
The excitation of KWs by dynamical processes involving Rossby waves in the subtropics is demonstrated in shallow-water model simulations as a proof of concept. The model formulation based on normal modes allows to specify an external forcing that only acts on Rossby waves. Kelvin waves develop as a resonant response to interactions of forced Rossby waves with the zonal mean flow in geostrophic balance. This mechanism can also be interpreted as the growth of an eigenmode of the shallow-water equations, linearized with respect to the zonal mean flow. Such eigenmodes incorporate the wave-mean flow interactions in their spatial structures and eigenfrequencies.
In the atmosphere, a considerable portion of the KWs is stationary. Along with non-radiative diabatic heating, which includes latent heat release, the advection of warm air in the upper troposphere shapes the three-dimensional structure of the stationary KWs, while dissipation and momentum advection have secondary contributions.
Although temperature advection and non-radiative diabatic heating maintain the stationary KWs, these processes induce KW energy sinks, because the associated temperature tendencies are shifted relative to the KWs. The main KW energy source results from the meridional advection of zonal momentum in the winter hemisphere, which strengthens the KW easterlies over the Indian Ocean. Because this process is stronger than the KW energy sink due to temperature advection, dynamical processes overall induce a KW energy source. The temporal variability of the KW energy tendencies is governed by non-radiative diabatic heating.
A large part of the dynamical KW energy source results from wave-mean flow interactions, while wave-wave interactions have a smaller contribution. The interactions of equatorial n=1 Rossby waves with the zonal mean flow in geostrophic balance have the strongest effect among the wave-mean flow interactions. These interactions induce a KW energy source, because the easterlies of the stationary n=1 Rossby waves in the upper troposphere are located east of the KW easterlies.
For the first time, energy transfers between normal modes of the primitive equations are quantified in reanalysis data. Specifically, the energy that KWs gain through interactions of n=1 Rossby waves with the zonal mean flow is supplied by both the n=1 Rossby waves and the zonal mean flow. In these interactions, the n=1 Rossby waves also receive energy from the zonal mean flow.
The numerical part of this thesis paves the way for quantifying the influences of dynamical and diabatic processes on other wave modes in the atmosphere, for example mixed Rossby-gravity waves and n=1 Rossby waves. This would improve the understanding of wave dynamics in the tropical atmosphere and of tropical-extratropical interactions.Äquatoriale Kelvin-Wellen (KW) tragen erheblich zur Variabilität der tropischen Atmosphärenzirkulation bei; daher ist es wichtig, ihre Anregungsmechanismen, Energetik und Wechselwirkungen mit anderen Wellen und dem Grundstrom zu verstehen. Kelvin-Wellen sind Teil der Zirkulationsantwort auf die Freisetzung latenter Wärme in den Tropen. Darüber hinaus haben mehrere Studien gezeigt, dass dynamische Prozesse im Zusammenhang mit Rossby-Wellen in den Subtropen als KW-Quellen dienen können. Allerdings sind die dynamischen Mechanismen und ihre relativen Einflüsse im Vergleich zu diabatischen Prozessen nicht abschließend geklärt. In dieser Arbeit werden KW-Energiequellen, die aus dynamischen und diabatischen Prozessen resultieren, anhand von Atmosphärendaten systematisch verglichen, wobei der Schwerpunkt auf stationären KW liegt. Die dynamische KW-Energiequelle ergibt sich hauptsächlich aus Wellen-Grundstrom-Wechselwirkungen, sowohl in der Atmosphäre als auch in idealisierten Flachwasser-Modellsimulationen.
Die Methodik basiert auf der Entwicklung der Zirkulation nach einer Basis aus Eigenmoden auf der Kugel, um Kelvin-Wellen, Rossby-Wellen, Trägheits-Schwerewellen und gemischte Rossby-Schwerewellen zu identifizieren. Die Wellen-Grundstrom-Wechselwirkungen und Wellen-Wellen-Wechselwirkungen dieser Moden werden quantifiziert, um die Mechanismen zu entwirren, die die KW-Energiequellen erzeugen. Diese Methode ermöglicht einen konsistenten Vergleich von idealisierten Flachwassermodellsimulationen mit Reanalysedaten. Für die Analyse von dreidimensionalen Daten wurde ein numerisches Schema entwickelt, welches die dynamischen Prozesse, insbesondere die Advektion von Impuls und Temperatur, basierend auf den Eigenmoden-Entwicklungskoeffizienten quantifiziert. Für diabatische Prozesse werden die Impuls- und Temperaturtendenzen durch Parametrisierungen in ERA5-Daten verwendet.
Die Anregung von KW durch dynamische Prozesse unter Beteiligung von Rossby-Wellen in den Subtropen wird in Flachwasser-Modellsimulationen als Proof of Concept aufgezeigt. Die auf Eigenmoden basierende Modellformulierung ermöglicht es, einen externen Antrieb zu spezifizieren, der nur auf Rossby-Wellen wirkt. Kelvin-Wellen entwickeln sich als resonante Antwort auf Wechselwirkungen von angetriebenen Rossby-Wellen mit dem zonalen Grundstrom im geostrophischen Gleichgewicht. Dieser Mechanismus kann auch als Wachstum einer Eigenmode der um den Grundstrom linearisierten Flachwassergleichungen interpretiert werden. Solche Eigenmoden berücksichtigen die Wellen-Grundstrom-Wechselwirkungen in ihren räumlichen Strukturen und Eigenfrequenzen.
In der Atmosphäre ist ein beträchtlicher Teil der KW stationär. Zusammen mit der strahlungsfreien diabatischen Heizung, zu der auch die Freisetzung latenter Wärme gehört, bestimmt die Advektion warmer Luft in der oberen Troposphäre die dreidimensionale Struktur der stationären KW, während Dissipation und Impulsadvektion sekundäre Beiträge leisten.
Obwohl die Temperaturadvektion und die strahlungsfreie diabatische Heizung die stationären KW aufrechterhalten, rufen diese Prozesse KW-Energiesenken hervor, da die damit verbundenen Temperaturtendenzen relativ zu den KW verschoben sind. Die Hauptenergiequelle der KW resultiert aus der meridionalen Advektion von zonalem Impuls in der Winterhalbkugel, welche die KW-Ostwinde über dem Indischen Ozean verstärkt. Da dieser Prozess stärker ist als die KW-Energiesenke aufgrund der Temperaturadvektion, rufen dynamische Prozesse insgesamt eine KW-Energiequelle hervor. Die zeitliche Variabilität der KW-Energietendenzen wird durch die strahlungsfreie diabatische Heizung bestimmt.
Die dynamische KW-Energiequelle resultiert hauptsächlich aus Wellen-Grundstrom-Wechselwirkungen, während Wellen-Wellen-Wechselwirkungen einen geringeren Beitrag leisten. Die Wechselwirkungen der äquatorialen n=1 Rossby-Wellen mit dem zonalen Grundstrom im geostrophischen Gleichgewicht haben den stärksten Einfluss unter den Wellen-Grundstrom-Wechselwirkungen. Diese Wechselwirkungen rufen eine KW-Energiequelle hervor, da sich die Ostwinde der stationären n=1 Rossby-Wellen in der oberen Troposphäre östlich der KW-Ostwinde befinden.
Erstmalig werden Energieübertragungen zwischen Eigenmoden der primitiven Gleichungen in Reanalysedaten quantifiziert.
Insbesondere wird die Energie, die KW durch Wechselwirkungen von n=1 Rossby-Wellen mit dem zonalen Grundstrom erhalten, sowohl von den n=1 Rossby-Wellen als auch vom zonalen Grundstrom bereitgestellt. In diesen Wechselwirkungen erhalten die n=1 Rossby-Wellen auch Energie vom zonalen Grundstrom.
Der numerische Teil dieser Arbeit ebnet den Weg für die Quantifizierung der Einflüsse dynamischer und diabatischer Prozesse auf andere Wellenmoden in der Atmosphäre, beispielsweise gemischte Rossby-Schwerewellen und n=1 Rossby-Wellen. Dies würde das Verständnis der Wellendynamik in der tropischen Atmosphäre und der Wechselwirkungen zwischen den Tropen und Extratropen verbessern
τ-Lepton Lifetime Measurement and Working Point Optimization for the Pixel Vertex Detector at Belle II
Get PDFIn the Standard Model of Particle Physics, all leptons have the same coupling strength to the weak interaction. Comparing the theoretical model with experimental observations reveals a slight deviation in the electron branching fraction of τ-lepton decays. However, the precision of the measurement is limited by the precision of the measured τ-lepton lifetime.
This work presents a novel measurement of the τ-lepton lifetime using a template fitting approach applied to 3×1-prong τ⁺τ⁻ decays at Belle II. The decay length is determined in the xy-plane from the precisely known SuperKEKB interaction point to the 3-prong τ decay vertex. A robust software framework was developed to unify data processing, validation, and systematic studies, ensuring reproducibility and flexibility for future improvements. The vertex reconstruction achieves a resolution of 31.43 ± 0.01 µm, leveraging the precision of the pixel vertex detector.
Templates corresponding to different lifetime hypotheses are generated using a re-weighting method. The reliability of this approach is confirmed through comparisons with templates produced from shifted generator lifetimes and pseudo-data fits. Systematic uncertainties are incorporated into the likelihood fit model via nuisance parameters. To address dominant modeling uncertainties, a dedicated two-dimensional re-weighting strategy was developed, resulting in an expected total precision of 0.2 fs, including a statistical uncertainty of 0.08 fs and a systematic uncertainty of 0.18 fs.
With this, the expected precision of the analysis exceeds the current world average by more than a factor of two.
In 2023, the Belle II experiment upgraded its pixel vertex detector by replacing the previous single-layer configuration with a new two-layer detector, based on the same sensor design. Optimized sensor working points are crucial for the success of future analyses relying on precise vertex information with the new two-layer pixel vertex detector. To maximize hit efficiency, dedicated optimization studies were conducted. During pre-commissioning, detailed multi-parameter source scans were performed to evaluate and tune the sensor settings across half of the pixel vertex detector modules. These scans identified stable operation points that significantly improved hit efficiency, with gains of up to 14 %, and mitigated effects such as cluster anomalies in under-depleted modules. Simplified high-voltage scans with all pixel vertex detector modules were subsequently performed, resulting in suitable operating parameters that also serve as starting values for future in-situ calibration during beam collisions. Early data following the resumption of beam operations in 2024 revealed individual module improvements of up to 8 % from refined operation parameters.Im Standardmodell der Teilchenphysik haben alle Leptonen die gleiche Kopplungsstärke an die schwache Wechselwirkung. Der Vergleich des theoretischen Modells mit experimentellen Beobachtungen zeigt jedoch eine leichte Abweichung im elektronischen Verzweigungsverhältnis von τ-Lepton-Zerfällen. Die Präzision dieses Tests ist durch die Genauigkeit der gemessenen τ-Lepton-Lebensdauer limitiert.
Diese Arbeit präsentiert eine neuartige Messung der τ-Lepton-Lebensdauer unter Verwendung eines Template-Fit-Ansatzes bei Belle II. Die Lebensdauer wird für τ-Leptonen bestimmt, die in drei geladene Teilchen zerfallen. Hierzu werden Daten verwendet, in denen ein τ-Lepton-Paar erzeugt wird, wobei ein τ-Lepton in drei und das andere in ein geladenes Teilchen zerfällt.
Die Zerfallslänge wird in der xy-Ebene vom SuperKEKB-Kollisionspunkt bis zum Zerfallsvertex des τ-Leptons bestimmt. Ein robustes Software-Framework wurde entwickelt, um die Datenverarbeitung, Validierung und systematischen Studien zu vereinheitlichen und so die Reproduzierbarkeit sowie Flexibilität für zukünftige Verbesserungen sicherzustellen. Die Auflösung der Vertexrekonstruktion beträgt 31.43 ± 0.01 µm und nutzt dabei die Präzision des Pixel-Vertex-Detektors.
Zur Bestimmung der τ-Lebensdauer im aufgenommenen Datensatz wird dieser mit Vorhersagen von rekonstruierten Zerfallslängen für verschiedene τ-Lepton-Lebensdauern (Templates) verglichen. Die τ-Lepton-Lebensdauer des Templates mit der besten Übereinstimmung zu den Messdaten entspricht der gemessenen Lebensdauer. Die alternativen Templates werden aus einem vollständig generierten Template durch Umgewichtung der Generator-Lebensdauern erzeugt.
Zur Validierung dieser Umgewichtungsmethode wurden Studien durchgeführt, um die umgewichteten Templates mit vollständig generierten Templates mit der entsprechenden Lebensdauer zu vergleichen. Diese Studien haben die Zuverlässigkeit der Methode bestätigt.
Systematische Unsicherheiten werden über Störgrößenparameter in das Likelihood-Fit-Modell integriert. Um den Einfluss dominanter Modellierungsunsicherheiten zu reduzieren, wird eine zweidimensionale, datenbasierte Korrektur durchgeführt. Durch diese Korrektur konnte die Größe der systematischen Unsicherheiten signifikant verringert werden. Die finale erwartete Präzision der Messung beträgt ±0.08 fs statistische Unsicherheit und ±0.18 fs systematische Unsicherheit. Damit ist die erwartete totale Unsicherheit der Messung mit ±0.2 fs mehr als um den Faktor 2 besser als der aktuelle Weltmittelwert.
Im Jahr 2023 wurde ein neuer, zweilagiger Pixel-Vertex-Detektor in Belle II installiert, der den vorherigen, unvollständigen Detektor gleichen Designs ersetzte. Die Effizienz des Detektors, ein Teilchen zu detektieren, hängt von der korrekten Kalibrierung der Arbeitsspannungen und -ströme ab. Die Effizienz des Pixel-Vertex-Detektors beeinflusst maßgeblich die Auflösung der Vertexinformationen des Belle II-Detektors und ist somit entscheidend für die darauf basierenden zukünftigen Analysen.
In einer Testphase vor der Inbetriebnahme wurden detaillierte, multidimensionale Optimierungsmessungen mit einer externen radioaktiven Quelle an der Hälfte der Pixel-Vertex-Detektor-Module durchgeführt, um die Sensoreinstellungen zu bewerten und abzustimmen. Diese Messungen identifizierten stabile Arbeitspunkte, die die Detektionseffizienz einzelner Sensoren signifikant um bis zu 14 % steigerten und Effekte wie Clusteranomalien in unterdepletierten Modulen verhinderten.
Anschließend wurden vereinfachte Optimierungsmessungen mit allen Pixel-Vertex-Detektor-Modulen durchgeführt, was zu geeigneten Betriebsparametern führte, die auch als Ausgangswerte für zukünftige In-situ-Kalibrierungen während des Beschleunigerbetriebs dienen. Die Analyse von Daten, die während der ersten Phase des Beschleunigerbetriebs im Jahr 2024 aufgenommen wurden, zeigte Verbesserungen der Detektionseffizienz einzelner Module von bis zu 8 % durch die optimierten Betriebsparameter
Proactive immune responses: physiological and behavioral mechanism, influences and triggers
Get PDFDas bekannte reaktive Immunsystem reagiert auf Krankheitserreger, die mit dem Wirt in Kontakt kommen. Diese reaktive Immunantwort ist jedoch mit hohen Kosten verbunden, wie z. B. entzündlichen Prozessen, die den Körper schwächen können. Angesichts dieses hohen Selektionsdrucks erscheint es plausibel, dass sich zusätzlich proaktive Mechanismen entwickelt haben. Die vorliegende kumulative Dissertation untersucht die physiologischen, behavioralen und neuronalen Grundlagen solcher proaktiven Immunantworten, mit einem besonderen Fokus auf die mukosale Immunität, gemessen über sekretorisches Immunglobulin A (sIgA) im Speichel. In vier Studien wurde untersucht, wie visuelle Reize mit Bezug zu respiratorischen Erkrankungen die sIgA-Sekretion beeinflussen, und ob hormonelle Zustände sowie neuronale Verarbeitungsprozesse diese Antwort moderieren. In Kapitel I wurde ein videobasiertes Experimentierparadigma entwickelt und validiert, dass gezielt ekelbezogene Reaktionen hervorruft und zuverlässig eine Erhöhung der sIgA-Werte auslöst. Kapitel II erweiterte diese Befunde, indem gezeigt wurde, dass visuelle Reize mit Bezug zu respiratorischen Erkrankungen nicht nur eine generelle sIgA-Antwort auslösen, sondern auch zu einem Anstieg von antigen-spezifischem sIgA gegen SARS-CoV-2 führen. In Kapitel III wurde der Einfluss des Menstruationszyklus auf die Stärke der sIgA-Antwort untersucht. Entgegen unserer Annahmen konnten keine systematischen modulierenden Effekte von Östradiol oder Progesteron festgestellt werden, was auf eine hormonelle Stabilität der proaktiven Immunantworten im Verlauf des Zyklus hindeutet. In Kapitel IV wurden mittels funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRT) die neuronalen Korrelate proaktiver Immunaktivierung identifiziert. Die Konfrontation mit visuellen Reizen zu respiratorischen Erkrankungen aktivierte Gehirnregionen, die typischerweise mit der Verarbeitung von Bedrohung und Ekel assoziiert sind, darunter die anteriore Insula und die Amygdala. Zudem korrelierte die Stärke der Aktivierung in der anterioren Insula positiv mit der sIgA-Antwort,was auf eine funktionelle Verbindung zwischen neuronalen und immunologischen Prozessen im Rahmen proaktiver Abwehrmechanismen hinweist. Insgesamt liefern diese Studien konsistente Hinweise auf die Existenz und Spezifität proaktiver Immunantworten bei gesunden Menschen. Die Ergebnisse eröffnen vielfältige Perspektiven für zukünftige Forschung. Ein zentraler nächster Schritt besteht darin, die zugrunde liegenden Mechanismen bei gesunden Individuen weiter zu entschlüsseln. Darüber hinaus stellt das in dieser Arbeit entwickelte Experimentierparadigma, dass zuverlässig mukosale und behaviorale Immunreaktionen auf visuelle Reize respiratorischer Erkrankungen auslöst, ein wertvolles Instrument für die translationale Forschung dar. Es könnte verwendet werden, um veränderte Immunreaktionen bei Patient*innen mit Einschränkungen im Bereich der behavioralen oder physiologischen Immunantworten zu untersuchen und somit zu einem differenzierteren Verständnis immunologischer Dysregulation beitragen.The well-known reactive immune system responds to pathogens that come into contact with the host. However, this reactive response comes at a high cost, such as inflammation that weakens the body. Given the high selection pressure, it would be reasonable to conclude that further proactive mechanisms have developed. This cumulative dissertation investigates the physiological, behavioral, and neural underpinnings of such proactive immune responses, particularly focusing on mucosal immunity as measured in secretory immunoglobulin A (sIgA) in saliva. Across four studies, we examined how visual respiratory disease cues influence sIgA secretion and explored potential moderators, including hormonal states and neural processing. In Chapter I, we developed and validated a video-based experimental paradigm to elicit diseaserelated disgust, reliably triggering increased sIgA levels. Chapter II extended these findings by demonstrating that exposure to respiratory disease cues elicited a general sIgA response and elevated antigen-specific sIgA levels against SARS-CoV-2. In Chapter III, we investigated the potential influence of the menstrual cycle on the magnitude of the sIgA response to respiratory disease cues. Contrary to our expectations, no systematic modulatory effects of estradiol or progesterone on the proactive immune responses were observed, indicating that they may be hormonally stable across the menstrual cycle. Finally, in Chapter IV, we used functional magnetic resonance imaging to identify the neural correlates of proactive immune activation. Exposure to visual respiratory disease cues activated regions commonly implicated in threat and disgust processing, including the anterior insula and amygdala. Moreover, the strength of activation in the anterior insula was positively associated with the sIgA response, pointing to a functional neural-immune link in proactive defense. Together, these studies provide converging evidence for the existence and specificity of proactive immune responses in healthy humans. These findings open a range of promising directions for future research. A key next step involves deepening our understanding of the underlying mechanisms in healthy individuals. Moreover, the experimental paradigm developed in this thesis, which reliably elicited both mucosal and behavioral immune responses to visual respiratory disease cues, offers a valuable tool for translational research. It could be applied to study altered immune reactivity in patients, including individuals with behavioral immunity or physiological immune function impairments, thereby contributing to a more nuanced understanding of immune dysregulation