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Untersuchung anorganischer Emissionen von Offshore-Windkraftanlagen und ihrer potenziellen Auswirkungen auf die Meeresumwelt
No full textThe North Sea is bordered by heavily populated and highly industrialised countries. The anthropogenic pressure on the marine ecosystem is undisputed: pollutants from the inland reach the sea via rivers and the sea itself has long been used by humans. Shipping, fishing, dumping and, more recently, offshore wind energy production all take place in the North Sea. These anthropogenic activities pose the risk of additional pollutant inputs. Valid analytical methods are therefore required for the targeted monitoring and source differentiation of both new and known pollutants.
This doctoral thesis lays the foundation for the inorganic monitoring of potential pollutants induced by offshore wind farms. In Publication I (doi: 10.1016/j.chemosphere.2020.127182), galvanic anodes for corrosion protection of offshore wind turbines were analysed and inorganic tracers were identified. These tracers include the main anode components aluminium and zinc, the toxicologically relevant and already well-studied elements cadmium and lead as well as the technology-critical and wind farm or corrosion protection-specific elements indium and gallium. In addition, the analysed anodes showed specific lead isotope ratios, which can potentially also be used for source attribution.
The valid quantification of metals in seawater samples is a challenge due to two factors: low concentrations of the target analytes and the high salt content of the seawater matrix itself. In addition, there are no certified values for the tracer metals indium and gallium identified in Publication I in natural water reference materials. Publication II (doi: 10.1111/ggr.12422) therefore presents a further developed analytical method for the quantification of 34 metals in water samples. It utilises matrix separation and pre-concentration via an extraction resin combined with online measurement using inductively coupled plasma tandem mass spectrometry. This method was applied to 17 certified water reference materials. Combined with a comprehensive literature review, consensus values for non-certified elements were proposed and values for gallium and indium in various water reference materials were published for the first time.
The analysis of sediments in the Elbe estuary in Publication III (doi: 10.1016/j.scitotenv.2019.02.401) also aimed to investigate source signatures and possible transport routes of pollutants into the German Bight in more detail. The sediments were analysed for the mass fractions of 48 elements using a multi-element method. In addition, strontium, neodymium and lead isotope ratios were measured. Six extreme stations in the estuary showed particularly remarkable lead isotope signatures. The combination of multi-element analysis, isotope ratio determinations and statistical methods enabled the development of a multi-tracer approach that revealed the high variability and dynamics in the Elbe estuary and made it possible to create a fingerprint of the estuary.
The tracers identified in Publication I and the methodology presented in Publication III were finally applied to real samples from the vicinity of offshore wind farms in Publication IV (doi: 10.1016/j.marpolbul.2023.115396). The multi-element analysis and Strontium isotope ratios in the sediment samples have not yet shown any clear accumulation of offshore tracers. However, it was found that the Strontium isotope signatures of the sediments in one of the wind farm regions are very similar to the sediments of the Elbe estuary from publication II, which indicates that Elbe sediments are transported into the North Sea and that some of the increased metal mass fractions may originate from Elbe sediments instead of from galvanic anodes of the offshore wind farms.Die Nordsee ist umgeben von stark bevölkerten und hoch industrialisierten Ländern. Der anthropogene Druck auf das marine Ökosystem ist unumstritten: Schadstoffe aus dem Inland gelangen über Flüsse ins Meer und auch das Meer selbst wurde vom Menschen längst als Nutzungsraum eingenommen. Schifffahrt, Fischerei, Verklappung und, seit neuster Zeit, auch die Produktion von Windenergie finden in der Nordsee statt. Diese anthropogenen Aktivitäten bergen die Gefahr zusätzlicher Schadstoffeinträge. Zum gezielten Monitoring sowie zur Quellendifferenzierung neuer, aber auch bereits bekannter Schadstoffe sind daher valide analytische Methoden notwendig.
Die vorliegende Doktorarbeit legt den Grundstein für das anorganische Monitoring potentieller, durch Offshore-Windparks induzierte Schadstoffe. In Publikation I (doi: 10.1016/j.chemosphere.2020.127182) wurden galvanische Anoden, die als Korrosionsschutz für die Offshore-Windkraftanlangen eingesetzt werden, untersucht und so anorganische Tracer identifiziert. Diese Tracer umfassen die Hauptbestandteile der Anoden Aluminium und Zink, die toxikologisch relevanten, und bereits gut untersuchten Elemente Cadmium und Blei sowie die technologie-kritischen und windpark- bzw. korrosionsschutzspezifischen Elemente Indium und Gallium. Zudem zeigten die untersuchten Anoden spezifische Blei-Isotopenverhältnisse auf, was ebenso potenziell zur Quellenzuordnung genutzt werden kann.
Die valide Quantifizierung von Metallen in den zu untersuchenden Meerwasserproben wird durch zwei Faktoren zur Herausforderung: niedrige Konzentrationen der Zielanalyten und der hohe Salzgehalt der Meerwassermatrix selbst. Hinzu kommt, dass für die in Publikation I identifizierten Tracermetalle Indium und Gallium keine zertifizierten Werte in Wasser-Referenzmaterialen existieren. In Publikation II (doi: 10.1111/ggr.12422) wird daher eine weiterentwickelte analytische Methode zur Quantifizierung von 34 Metallen in Wasserproben vorgestellt. Sie bedient sich der Matrixabtrennung und Probenaufkonzentrierung über ein Extraktionsharz kombiniert mit einer Online-Messung mittels Tandem-Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma. Diese Methode wurde auf 17 zertifizierte Wasserreferenz-materialien angewandt. Kombiniert mit einer umfassenden Literaturrecherche wurden daraus Konsensuswerte für nicht-zertifizierte Elemente vorgeschlagen und erstmals Werte für Gallium und Indium in verschiedenen Wasserreferenzmaterialien veröffentlicht.
Die Analyse von Sedimenten im Elbeästuar in Publikation III (doi: 10.1016/j.scitotenv.2019.02.401) diente ebenfalls der genaueren Untersuchung von Quellsignaturen und möglichen Transportwegen von Schadstoffen in die Deutsche Bucht. Die Sedimente wurden mithilfe einer Multielementmethode auf den Massenanteile von 48 Elementen untersucht. Zudem wurden Strontium-, Neodym- und Blei-Isotopenverhältnisse gemessen. Sechs Extremstationen im Ästuar wiesen besonders auffällige Blei-Isotopensignaturen auf. Die Kombination von Multielementanalytik, Isotopenverhältnisuntersuchungen und statistischen Methoden ermöglichte die Entwicklung eines Multitracer-Ansatzes, der die hohe Variabilität und Dynamik im Elbeästuar aufzeigte und es ermöglichte, eine Signatur des Ästuars zu erstellen.
Die in Publikation I identifizierten Tracer und die in Publikation III vorgestellte Methodik wurden in Publikation IV (doi: 10.1016/j.marpolbul.2023.115396) schließlich auf Realproben aus dem Umfeld von Offshore-Windparks angewendet. Die Multielementanalyse und Strontium-Isotopenverhältnisse in den Sedimentproben zeigen bisher keine eindeutige Akkumulation von Offshore-Tracern. Es konnte aber festgestellt werden, dass die Sedimente in einer der Windpark-Regionen in ihren Strontium-Isotopensignaturen stark den Sedimenten des Elbeästuars aus Publikation II gleichen, was darauf hindeutet, dass Elbsedimente in die Nordsee transportiert werden und z.T. erhöhte Metallmassenanteile möglicherweise aus Elbsedimenten stammen statt aus galvanischen Anoden der Offshore-Windparks
Energy Transfer Between Chromophores Bound to Layered Silicate Surfaces
No full textDer Förster-Resonanzenergietransfer (FRET) beschreibt den Prozess, bei dem die überschüssige Energie eines angeregten Donormoleküls durch nichtstrahlende Dipol-Dipol-Kopplung auf ein nahe gelegenes, ruhendes Akzeptormolekül übertragen wird. Da sich das Akzeptormolekül in unmittelbarer Nähe des Donormoleküls befinden muss, ist FRET empfindlich gegenüber dem Abstand und der Ausrichtung zwischen Donor- und Akzeptormolekülen, was die Bedeutung eines definierten Systems zur Optimierung der FRET-Effizienz unterstreicht. Die Einbindung von Nanopartikeln als Matrize bietet einen strategischen Vorteil bei der Immobilisierung von Akzeptor- und Donormolekülen. In dieser Dissertation die Verknüpfung organischer Chromophore mit einem Schichtsilikat und die Entwicklung von drei verschiedenen FRET-Systemen auf der Grundlage der resultierenden organisch-anorganischen Hybride untersucht.
Im ersten System wurde ein Perylendiimid kovalent an die Randoberfläche von Laponit (Lap) als Akzeptor gebunden, gefolgt von der Assoziation eines Donor-Moleküls mit der basalen Oberfläche durch Ionenaustausch. Es wurde ein FRET von dem an der Basalfläche von Lap befindlichen Donor zu dem an die Lap-Kante gebundenen Akzeptor beobachtet. Im zweiten System wurden ein Naphthalindiimid-Donor und ein Perylendiimid-Akzeptor kovalent an die Randoberflächen von zwei separaten LAP-Teilchen gebunden. Beide Chromophore an den Randflächen von Lap bildeten in einem Lösungsmittelgemisch mit hohem Wassergehalt Aggregate, und es wurde FRET zwischen diesen randgebundenen Chromophoren beobachtet. Die Verwendung eines kationischen Tensids zur Bildung einer organisierten Stapelung von Lap-Teilchen führte zu einer günstigen Ausrichtung zwischen Donor- und Akzeptormolekülen für FRET, was zu einer erheblichen Steigerung der FRET-Effizienz führte. Das letzte System konzentrierte sich auf eine zweistufige FRET-Kaskade, bei der FRET von einem kantengebundenen Lap-Donor zum intermediären Donor/Akzeptor auf der basalen Oberfläche stattfindet, gefolgt von FRET vom intermediären Donor/Akzeptor auf der basalen Oberfläche zu einem anderen kovalent kantengebundenen Akzeptor. Zusätzlich zur Beobachtung von Kaskaden-FRET führten bestimmte Lösungsmittelzusammensetzungen zu einer erhöhten FRET-Effizienz.
In dieser Dissertation wird die Synthese von chromophor-modifiziertem Lap vorgestellt und es werden drei verschiedene FRET-Systeme untersucht, die auf nanoskopischen organisch-anorganischen Hybriden basieren. Die Verwendung eines Schichtsilikattons als Nanomaterialvorlage mit anisotroper Oberflächenchemie ermöglicht eine vielseitige Synthese, die zu einer präzisen Kontrolle über die Immobilisierung organischer Chromophore für den Energietransfer und zu einem verbesserten Energietransfer bei einer relativ niedrigen Chromophorkonzentration führt. Diese Studien stellen einen neuartigen Ansatz für die Synthese von organisch-anorganischen hybriden Nanomaterialien mit abstimmbaren physikalischen und photophysikalischen Eigenschaften dar und erweitern die potenziellen Anwendungen von FRET und Materialien auf Nanopartikelbasis, wie etwa Leuchtdioden, Energiespeicher, Photovoltaik und Biosensoren
Determinanten der gesundheitsbezogenen Lebensqualität wohnungloser Menschen während der COVID-19 Pandemie
No full textBackground: The ‘Hamburg survey of Homeless Individuals’ aimed to assess the health-related quality of life (HRQoL) of homeless individuals during the early stages of the COVID-19 pandemic.
Methods: Data were taken from the ‘Hamburg survey of Homeless Individuals’ during the COVID-19 pandemic (n = 151). The established EQ-5D-5L was used to quantify problems in five health dimensions, and its visual analogue scale (EQ-VAS) was used to record the self-rated health status. Sociodemographic factors were included in a regression analysis.
Results & Discussion: Surprisingly, the results showed comparable HRQoL scores to those of the general population, despite the numerous challenges faced by homeless individuals. Potential explanations include adaptation to living conditions, selection bias, and the influence of alcohol consumption.
Conclusion: The findings emphasize the need for more comprehensive and longitudinal studies to understand the factors affecting HRQoL in homeless populations. Additionally, effective preventive measures such as education, job promotion, and social housing programs are crucial in addressing homelessness and improving well-being of homeless people
Dynamics and pressures in German North Sea fisheries: from identification to simulation
No full textDie Nordsee ist seit Jahrhunderten ein globaler Hotspot für anthropogene Aktivitäten, wie z.B. der Fischerei. Seit jeher haben sich Fischer an fluktuierende Fischbestände, neue Fischereibestimmungen und steigende Fischereikosten angepasst. Der Wettbewerb um Raum mit Offshore-Windparks (OWPs) und gebietsbezogenen Naturschutzmaßnahmen stellt einen relativ neuen Stressfaktor für die Fischerei dar. In dieser Dissertation wende ich quantitative Methoden an, um das Ausmaß des Drucks auf die Fischerei in der südlichen Nordsee mit Schwerpunkt auf den deutschen Flotten aufzuzeigen. Darüber hinaus präsentiere ich mögliche Strategien für eine Milderung negativer Konsequenzen sowie Einblicke in das Fischereiverhalten, die für ein effektives Management notwendig sind. Die Überlagerung räumlicher Polygone von OWPs und Naturschutzmaßnahmen mit Fischereiaufwandsdaten, beleuchtet und quantifiziert den schrumpfenden freien marinen Raum. Nach derzeitigen Plänen werden bis 2040 60.000 km2 der Nordsee mit OWPs bedeckt sein, was eine fünffache Zunahme des Konfliktpotenzials für die Fischerei bedeutet (Kapitel I). Weitere Stressfaktoren werden in einer Studie über die deutsche Kaisergranat-Fischerei (Nephrops norvegicus) deutlich. Zum einen erschwert der Brexit die Bedingungen für Deutschland Kaisergranat-Quoten zu erlangen und zum anderen besteht das Risiko einer Erschöpfung einzelner Kaisergranat-Populationen durch Überfischung (Kapitel II). Darüber hinaus könnten durch die Kombination von Fangverbotszonen und geplanten OWPs bis 2040 45 % der deutschen Fanggebiete für Kaisergranat nicht mehr für die Fischerei zur Verfügung stehen. Eine andere Perspektive auf OWPs zeigen wir in Kapitel III, in dem meine Ko-Autoren und ich internationalen Fischereiaufwand und Versuchsfänge von Taschenkrebsen in und um OWPs analysiert haben. Unsere Ergebnisse zeigen einen erhöhten internationalen Fischereiaufwand mit passivem Fanggerät in der Nähe einiger OWPs, was auf mögliche Vorteile für die Fischerei hindeutet. Zusammen mit den Erkenntnissen aus den Versuchsfängen zeigt eine wirtschaftliche Break-Even-Analyse die Durchführbarkeit von Co-Use Strategien für die Fischerei mit passivem Fanggerät in OWPs.
Die Reaktion von Fischern auf o.g. Veränderungen vorherzusehen ist schwierig und stellt eine große Unsicherheitsquelle für das Fischereimanagement dar. Nur wenn die wichtigsten Verhaltensmotivationen von Fischern bekannt sind, kann Management nachhaltig gestaltet werden. Durch die Kombination von ökologischen, ökonomischen und kulturellen Informationen und der Anwendung von maschinellem Lernen, habe ich Faktoren identifiziert, die den räumlichen und zeitlichen Fischereiaufwand für drei deutsche Flotten wesentlich beeinflussen (Kapitel IV). Die Ergebnisse zeigen, dass Umweltfaktoren bei allen Flotten eine große Rolle spielen, während wirtschaftliche und kulturelle Faktoren nur für einer Flotte relevant sind. Dieser Unterschied verdeutlicht die Notwendigkeit, die Heterogenität der Fischer in wissenschaftlichen Modellen und im Fischereimanagement zu berücksichtigen. Auf der Grundlage von Ergebnissen und Datenprodukten der ersten vier Kapitel habe ich ein agentenbasiertes Modell (FISHCODE) entwickelt, das die deutsche Fischerei in der südlichen Nordsee, unter Betracht von komplexem menschlichen Entscheidungsprozessen, simuliert (Kapitel V). Nach dem Test der Modellfunktionalität und der Validierung habe ich FISHCODE angewandt, um Szenarien zu erhöhten Treibstoffpreisen, der Ausweitung von OWPs und Naturschutzgebieten sowie dem Verbot von elektrischem Impulsfanggerät zu testen (Kapitel VI). Die Ergebnisse zeigen geringere Fischereigewinne in allen Szenarien, wobei die Treibstoffpreise bei weitem die stärksten Auswirkungen haben. Ein weiteres Ergebnis ist die Verlagerung von Fischereiaufwand in kleinere Gebiete, wobei der daraus resultierende höhere Fischereidruck negative Auswirkungen auf die Meeresökosysteme haben könnte. Zusammen mit den jüngsten politischen Entwicklungen wie dem Brexit, dem Risiko von Überfischung und den steigenden Treibstoffpreisen wird der Wettbewerb um verfügbaren marinen Raum eine große Herausforderung für die Nordseefischerei darstellen. Die Ergebnisse dieser Arbeit tragen dazu bei, die Ungewissheit über den künftigen Zustand des Fischereisektors aufzudecken. Des Weiteren zeige ich Wissenslücken auf, wie z.B. die Auswirkungen von OWPs auf die Umwelt sowie den Bedarf an öffentlich zugänglichen Fischereidaten mit hoher räumlicher Auflösung. Fischereimanagement sollte in einem partizipativen Prozess gestaltet werden, um die Rentabilität des Fischereisektors in Koexistenz mit anderen marinen Raumakteuren, z. B. dem Naturschutz, zu gewährleisten. Die Berücksichtigung der Heterogenität von Fischern ist der Schlüssel zu effektivem Management und mariner Raumplanung.For centuries, the North Sea has been a global hotspot for anthropogenic activities, including fisheries. Fishers have adapted to fluctuating fish stocks, new marine management regimes, and increasing fishing costs, but the competition for space with offshore wind farms (OWF) and area-based conservation measures is a relatively new pressure. Within this doctoral thesis, I apply quantitative methods to reveal the extent of pressures for the southern North Sea fisheries with emphasis on German fleets. Moreover, I present possible mitigation strategies, and insights into fishing behavior necessary for effective management. My co-authors and I quantified the race for space triggered by expanding OWFs and no-take zones by overlapping them with spatial fishing effort data. According to current plans, 60,000 km2 of North Sea waters will be covered with OWFs by 2040, representing a 5-fold increase of conflict potential between fisheries and OWFs (Chapter I). A study on German vessels targeting Nephrops (Norway lobster; Nephrops norvegicus), revealed a coverage of German fishing grounds of up to 45% when OWFs and no-take zones are considered. Moreover, we highlighted other stressors such as potential difficulties for obtaining Nephrops quota due to Brexit and the risk for overfishing individual Nephrops populations (Chapter II).
Another perspective on OWFs is offered in Chapter III, in which we analyzed international fishing effort and experimental catches for brown crab in and around OWFs. Our results show increased levels of international fishing effort with passive gears in the vicinity of some OWFs, suggesting potential benefits for fisheries. Together with findings from the experimental catches, an economic break-even analysis demonstrates the feasibility of co-use fishing for brown crab with passive gears. Foreseeing the reaction of fishers to changes is challenging and introduces a large source of uncertainty to fisheries management. Only by knowing the fisher’s key behavioral motivations can management be drafted in a sustainable way. Therefore, I combined environmental, economic, and cultural information, and applied machine learning techniques to find factors that were substantially driving spatio-temporal fishing effort for three German fleets (Chapter IV). The results show a high importance of environmental factors for all fleets, while economic
and cultural drivers only affected one fleet. This difference highlights the need for considering fishers’ heterogeneity in scientific fisheries models and management. Based on results and data products of the first four chapters, I developed an agent-based model (FISHCODE) simulating German southern North Sea fisheries involving complex human-decision making (Chapter V). After testing for model functionality and validation, I applied FISHCODE by testing scenarios of raised fuel prices, expanding OWFs and no-take zones, and the ban of electric pulse gear (Chapter VI). Results indicate lower profits in all scenarios, although fuel prices had by far the strongest effect. Additionally, fishing effort becomes displaced towards smaller areas, with the resulting increase in fishing pressure potentially having negative effects for marine ecosystems. Together with recent political developments such as Brexit, the risk of overfishing, and rising fuel prices, spatial competition will be a major challenge for North Sea fisheries. Findings of this thesis help to uncover uncertainty about the future state of the fishing sector and identify knowledge gaps such as the impact of OWFs on the environment and the need for publicly available fisheries data on high spatial resolution. Management should be drafted in a participatory process to ensure the profitability of the fishing sector in co-existence with other marine spatial actors, i.e. nature conservation. Factoring in the heterogeneity of fishers is key for efficient management and marine spatial planning
Structural studies on the ribosomal exit tunnel as a regulator of translation and target of antimicrobials
No full textDie Proteinsynthese ist ein wesentlicher Prozess in allen lebenden Systemen, der hauptsächlich während der Translation durch das Ribosom stattfindet. Während der Translation polymerisieren die Ribosomen eine naszierende Polypeptidkette, die sich in den Ausgangstunnel erstreckt. Dieser Tunnel ist eine strukturelle Schlüsselkomponente des Ribosoms und ein entscheidender Akteur im Prozess, der die Proteinfaltung, das Targeting und die Regulierung der Genexpression in verschiedenen Szenarien beeinflusst. Die kumulativen Forschungsarbeiten haben bedeutende strukturelle Einblicke in die Rolle des bakteriellen ribosomalen Ausgangstunnels bei der Translationsregulation und sein Potenzial als Ziel für antimikrobielle Peptide geliefert. In dieser Arbeit wird die Kryo-EM umfassend genutzt, um detaillierte Mechanismen der durch spezifische Arrestpeptide ausgelösten Translationsblockade aufzudecken, was zu unserem Verständnis der bakteriellen Genexpressionsregulation und der Wirkung von Antibiotika beiträgt.
Es wurde festgestellt, dass RAPP-haltige Arrest-Peptide die Translation abwürgen, indem sie in die Aktivität der ribosomalen Peptidyltransferase eingreifen. Die Studie untersucht speziell ApdA, das effizient grampositive bakterielle Ribosomen abwürgt, und ApdP, das sowohl grampositive als auch gramnegative bakterielle Ribosomen abwürgt, obwohl es bei gramnegativen Arten konserviert ist. Hochauflösende Kryo-EM-Strukturen von Ribosomen aus Bacillus subtilis und Escherichia coli, die durch ApdA bzw. ApdP blockiert werden, zeigen, dass diese Peptide die Bildung der nachfolgenden Peptidbindung verhindern, indem sie ein einzelnes Wasserstoffatom an der Pro-tRNA in der A-Seite stabilisieren. Dieser Mechanismus verdeutlicht die Rolle des RAPP-Motivs als wesentliches "Arrestmodul" und des N-terminalen Abschnitts als "Regulatormodul" und liefert ein detailliertes mechanistisches Verständnis dafür, wie diese Peptide die ribosomale Translation aufhalten. Dieser Mechanismus ist analog zu dem durch das SecM-Peptid induzierten Abwürgen.
Das SecM-Arrest-Peptid reguliert die Genexpression in E. coli durch Abwürgen der Translation. Die Studie korrigiert frühere Modelle, indem sie mittels Cryo-EM zeigt, dass SecM das Ribosom abwürgt, indem es die Pro-tRNA in der A-Stelle stabilisiert und die Bildung einer Peptidbindung mit der Peptidyl-tRNA in der P-Stelle verhindert. Diese Forschung zeigt eine Verdichtung der naszierenden SecM-Kette zu einer α-Helix innerhalb des ribosomalen Tunnels, im Gegensatz zu früheren Erkenntnissen. Molekulardynamiksimulationen deuten darauf hin, dass die von SecA auf die naszierende Kette ausgeübten Zugkräfte den Translationsstillstand aufheben können, indem sie eine lokale Entfaltung bewirken, wodurch die Translation fortgesetzt werden kann. Diese Forschungsarbeit bietet neue Einblicke in die strukturelle Grundlage des SecM-induzierten Translationsstopps und unterstreicht die konservierte Strategie der Translationsregulation bei verschiedenen Bakterienarten.
Der ribosomale Ausgangstunnel ist auch das Ziel für die Bindung vieler antimikrobieller Verbindungen. Das glykosylierte prolinreiche antimikrobielle Peptid (PrAMP) Drosocin wird von Drosophila-Arten zur Bekämpfung bakterieller Infektionen produziert. Im Gegensatz zu vielen PrAMPs ist Drosocin an Threonin 11 O-glykosyliert, was seine antimikrobielle Aktivität verstärkt. Die Kryo-EM-Analyse von Drosocin-SRC zeigt, dass sich das glykosylierte Drosocin im Polypeptid-Ausgangstunnel des Ribosoms bindet und den Freisetzungsfaktor RF1 abfängt, wodurch eine ordnungsgemäße Beendigung der Proteinsynthese verhindert wird. Die Glykosylierung an Thr11 interagiert mit U2609 der 23S rRNA und verursacht Konformationsänderungen, die die Basenpaarung mit A752 stören, wodurch der gebundene RF1 stabilisiert und die Translation gehemmt wird. Diese Studie unterstreicht das Potenzial für die Entwicklung neuer antimikrobieller Wirkstoffe auf der Grundlage der strukturellen Merkmale von glykosyliertem Drosocin und bietet eine Grundlage für die Entwicklung synthetischer Derivate mit verbesserten antimikrobiellen Eigenschaften und geringer Toxizität.
Insgesamt liefert diese Arbeit umfassende strukturelle und mechanistische Erkenntnisse darüber, wie spezifische Arrestpeptide und antimikrobielle Wirkstoffe mit dem bakteriellen Ribosom interagieren, um die Translation zu regulieren. Die Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung des ribosomalen Exit-Tunnels als kritische Stelle für die Translationskontrolle und als vielversprechendes Ziel für neuartige Antibiotika und tragen damit zu einem breiteren Verständnis der bakteriellen Genexpression und der Mechanismen der Antibiotikaresistenz bei.Protein synthesis is an essential process in all living systems, primarily occurring during translation by the ribosome. During translation, ribosomes polymerize a nascent polypeptide chain that extends into the exit tunnel. This tunnel is a key structural component of the ribosome and a crucial player in the process, influencing protein folding, targeting, and the regulation of gene expression across various scenarios. The cumulative research undertaken has provided significant structural insights into the role of the bacterial ribosomal exit tunnel in translation regulation and its potential as a target for antimicrobial peptides. This work extensively utilizes cryo-EM to reveal detailed mechanisms of translational stalling induced by specific arrest peptides, further contributing to our understanding of bacterial gene expression regulation and antibiotic action.
RAPP-containing arrest peptides have been identified to induce translational stalling by interfering with the ribosomal peptidyltransferase activity. The study specifically examines ApdA, which efficiently stalls Gram-positive bacterial ribosomes, and ApdP, which stalls both Gram-positive and Gram-negative bacterial ribosomes despite being conserved among Gram-negative species. High-resolution cryo-EM structures of ribosomes from Bacillus subtilis and Escherichia coli stalled by ApdA and ApdP, respectively, reveal that these peptides prevent the formation of the subsequent peptide bond by stabilizing a single hydrogen atom on the Pro-tRNA in the A-site. This mechanism elucidates the role of the RAPP motif as an essential "arrest module" and the N-terminal stretch as a "regulator module," providing a detailed mechanistic understanding of how these peptides halt ribosomal translation. This mechanism is found to be analogous to the stalling induced by the SecM peptide.
SecM arrest peptide regulates gene expression in E. coli by stalling translation. The study corrects previous models by demonstrating through cryo-EM that SecM stalls the ribosome by stabilizing the Pro-tRNA in the A-site, preventing peptide bond formation with the peptidyl-tRNA in the P-site. This research reveals a compaction of the nascent SecM chain into an α-helix within the ribosomal tunnel, contrary to previous structural findings. Molecular dynamics simulations suggest that pulling forces exerted by SecA on the nascent chain can relieve the translational arrest by causing local unfolding, thereby allowing translation to proceed. This research provides new insights into the structural basis of SecM-induced translational stalling and highlights the conserved strategy of translational regulation among diverse bacterial species.
The ribosomal exit tunnel also constitutes the target for the binding of many antimicrobial compounds. The glycosylated proline-rich antimicrobial peptide (PrAMP) drosocin is produced by Drosophila species to combat bacterial infections. Unlike many PrAMPs, drosocin is O-glycosylated at threonine 11, which enhances its antimicrobial activity. Cryo-EM analysis of drosocin-SRC reveals that glycosylated drosocin binds within the polypeptide exit tunnel of the ribosome and traps release factor RF1, preventing proper termination of protein synthesis. The glycosylation at Thr11 interacts with U2609 of the 23S rRNA, causing conformational changes that disrupt its base-pairing with A752, thus stabilizing the bound RF1 and inhibiting translation. This study highlights the potential for developing new antimicrobial agents based on the structural features of glycosylated drosocin and provides a basis for designing synthetic derivatives with enhanced antimicrobial properties and low toxicity.
Overall, this body of work provides comprehensive structural and mechanistic insights into how specific arrest peptides and antimicrobial agents interact with the bacterial ribosome to regulate translation. The findings underscore the importance of the ribosomal exit tunnel as a critical site for translational control and a promising target for novel antibiotics, thereby contributing to the broader understanding of bacterial gene expression and antibiotic resistance mechanisms
An interference search for new scalar and pseudoscalar states decaying to a top-anti-top quark pair with the ATLAS experiment
No full textA search for heavy pseudoscalar (A) and scalar (H) Higgs bosons decaying into a top-quark pair () is presented. The search has been conducted using 140~fb of proton--proton collision data collected by the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider (LHC), with a centre-of-mass energy of ~TeV.
The analysis accounts for interference effects between the signal process and Standard Model (SM) production. Final states with exactly one or two electrons or muons are considered. Specific methods for statistical inference in the presence of signal-background interference are presented in the context of the search.\\
No significant deviation from the SM prediction is observed.
The results of the search are interpreted within the framework of a two-Higgs-doublet model (2HDM) of type II in the alignment limit, in which the pseudoscalar and scalar Higgs bosons are mass-degenerate (), as well as within the hMSSM parameterisation of the minimal supersymmetric extension of the Standard Model.
Ratios of the vacuum expectation values of the two Higgs fields, , smaller than 3.49 (3.16) are excluded at the 95\% confidence level for \,GeV in the 2HDM (hMSSM).
In the 2HDM interpretation, masses up to 1240~GeV are excluded at 95\% confidence level for the lowest tested value of 0.4. In the hMSSM interpretation, masses up to 950~GeV are excluded for . Additionally, exclusion limits on the (pseudo)scalar-top-quark coupling as a function of the (pseudo)scalar mass are provided in the context of a generic model in which the couplings are varied independently of the decay width of the new particle.
The LHC and its experiments are scheduled for an extensive upgrade, with the goal of accumulating an integrated luminosity of at the end of the High-Luminosity LHC programme. An important part of the ATLAS upgrade is the replacement of the current Inner Detector (ID) with a new, all silicon, Inner Tracker (ITk).
Dense hadronic environments, encountered in the core of high-\pt jets, are particularly challenging for the reconstruction of charged-particle trajectories (tracks), as they are characterised by a high local density of ionising particles. The energy deposits (clusters) left by these particles in the silicon sensors are likely to merge and form clusters with contributions from multiple particles. This negatively affects the track reconstruction efficiency, and the precision in the evaluation of track properties. A study of the expected performance of clustering and tracking in dense hadronic environments with the ITk is presented. The tracking performance is found to be improved with respect to ID tracking, thanks to the fine granularity of the ITk. The study also highlights the potential gain from dedicated algorithms for merged-cluster identification for the mitigation of the negative effects of cluster merging within the ITk
Towards sustainable agricultural land use in Nepal under climate change: The role of efficient irrigation and fertilizer application
No full textThe increase in global food demand is expected to rise by 35% to 56% from 2010 to 2050, which poses a significant challenge for humanity, particularly in the face of a growing population and climate change. Achieving a balance between meeting, this increased demand for food and feed while ensuring sustainable agricultural systems without encroaching on natural ecosystems and safeguarding scarce natural resources such as water is imperative, particularly in light of projected climate change impacts. A considerable part of the world’s agricultural land is currently not realizing its maximum productivity potential. Nepal is among these regions, where inadequate mineral nutrient use, insufficient management options, and inadequate irrigation water supply significantly contribute to the existing yield gaps.
Enhancing food production to achieve food self-sufficiency is the foremost objective in Nepal. Nepal’s Ministry of Agriculture Development had proposed an Agriculture Development Strategy to transform the agricultural sector, which focuses on raising agricultural productivity through efficient fertilizer use, expanding irrigated areas, improving irrigation efficiency, and promoting efficient and sustainable farming practices.
In this dissertation, I endeavored to model some of the objectives outlined in the Agriculture development strategy and investigate current and future agriculture potential on a national scale in Nepal. Specifically, the primary goal of this thesis is to analyze the current yield gap of major cereal crops in Nepal, proposing ways to narrow it down, and then evaluate different scenarios of the sustainable utilization of water and mineral nutrients in the future, considering the impacts of climate change on agricultural croplands. To achieve this objective, the study is structured into three main chapters: (1) Model-based yield gap assessment in Nepal’s diverse agricultural landscape, (2) Effect of irrigation canal conveyance efficiency enhancement on crop productivity under climate change in Nepal and, (3) Assessment of the effect of Alternate Wetting and Drying (AWD) and Continuous flooding (CF) in rice production in Terai Nepal.
First, I quantified the gap between current and potentially attainable yields in Nepal and determined the additional amount of fertilizer and irrigation required to bridge this gap. I then assessed the country’s potential to achieve self-sufficiency in cereal food production. The findings suggest that Nepal could attain food self-sufficiency if there is consistent and effective management of mineral nutrients and water supply. Results showed considerable average yield gaps in Nepal which are 3.0 t/ha (wheat), 2.7 t/ha (rice), 2.9 t/ha (maize), 0.4 t/ha (barley), and 0.5 t/ha (millet). The pathways to narrow down this yield gap are by efficiently using additional irrigation water and fertilizer application. Cereal yields can be improved by 0.4 to 1.3 t/ha (rice), 0.1 to 2.3 t/ha (wheat), 1.6 to 1.9 t/ha (maize), 0.1 to 0.4 t/ha (millet), and 0.1 to 0.3 t/ha (barley) with irrigation water and fertilizer application, respectively.
I then assessed the potential impact of expanding irrigated areas in the near future (2023-2050) and far future (2075-2100) periods with three canal conveyance efficiency (30%, 50% and 70%) on the productivity of rice, maize, and wheat under three climate change scenarios (SSP1-2.6, SSP3-7.0, SSP5-8.5), utilizing three bias-adjusted Coupled Model Intercomparison Project based general circulation models (GFDL-ESM4, MPI-ESM1-2-HR, and IPSL-CM6A-LR). Results indicated that increasing canal conveyance efficiency to 30%, coupled with expanded irrigated areas and adjusted fertilization rates, could boost yields up to 3t/ha per hectare across all three crops at the national level in the future. The results also indicated that in future, improving canal conveyance efficiency from 30% to 50% increases yields up to 0.6 t/ha for maize and up to 1.2 t/ha for rice, while further improvement to 70% results in increases of up to 1.2 t/ha for maize and 2.1 t/ha for rice in the Terai region. The benefits of improved canal conveyance efficiency vary by location, with the subtropical Terai region experiencing the most and the mountain regions showing the least. I found that achieving canal conveyance efficiencies of 70% in the Terai region, 50% in the hill region, and 30% in the mountains is sufficient to enhance crop yields.
Finally, I found that adopting the climate-friendly water-conserving measure of Alternate Wetting and Drying over the conventional Continuous Flooding method for rice in the Terai region in the near future (2023 – 2050) has resulted in significant improvements across multiple aspects. First, rice yields increased by 0.2 to 1.4 t/ha after implementing alternate wetting and drying practices. Additionally, irrigation amounts were reduced by 350 to 450mm under the Alternate Wetting and Drying method, which suggests improved water use. In addition, there was a considerable decrease in methane emissions by 23 to 27 Gg CH4 yr-1 in the Terai region with the Alternate Wetting and Drying practice, demonstrating this approach's environmental benefits.
In summary, this doctoral thesis aims to contribute to the ongoing discourse of feeding a growing national population through domestic production, taking into account food self-sufficiency and food security in Nepal, a low-input use developing country with rugged terrain and multiple agro-climatic zones. The pathways to achieve this food self-sufficiency and food security in a sustainable manner were analyzed. These pathways encompass, first, the closing yield gaps of major cereal crops of Nepal through the efficient utilization of fertilizers and water; second, expansion of irrigated areas and enhancement of canal conveyance efficiency; and third, adoption of climate-smart adaptation measure alternate wetting and drying methods in rice cultivation
Artificial Intelligence and Market Manipulation: Challenges for Market Abuse Regulations and Governance of Algorithmic Trading
No full textThe financial trading industry is amid a technological (r)evolution, fuelled by Artificial Intelligence (AI) and its subfield of Machine Learning (ML). As AI-based algorithmic trading systems become increasingly sophisticated, capable, and autonomous, the active role of human actors is in decline. At the same time, concerns are rising over the implications for market efficiency, integrity, and stability, mainly due to the unintended consequences and potential misuse of advanced applications. This dissertation analyses, conceptualises, and evaluates the novel risks for capital markets posed by ML and other advanced methods, focusing on (Deep) Reinforcement Learning (DRL) methods as a case study. Adopting an interdisciplinary approach, this work bridges insights from Finance, Law, and Informatics.
The dissertation begins by exploring how subsequent AI generations in financial trading have spurred greater system complexity. Drawing on state-of-the- art research in Computational Finance, it highlights how the rapid progress in ML— exemplified by DRL applications—has fundamentally impacted capital markets, including the emergence of new market abuse risks. Hence, the dissertation conceptualises four basic scenarios, categorised by varying degrees of human involvement, in which AI trading may foster market manipulation. The discussion extends to the enforcement of market conduct rules, focusing on the heightened risks introduced by DRL methods, which enable autonomous trading agents capable of engaging in market manipulation or even ‘tacit’ collusion, regardless of specific human intent.
Building on these insights, the dissertation evaluates the adequacy of the EU regulatory framework for algorithmic trading—specifically MiFID II/MiFIR and MAR/MAD. It explores the ethical and legal challenges arising from the key techno- methodical specificities of AI systems, including their operational ‘autonomy’ and ‘opacity’. Through a detailed analysis of critical elements of algorithmic trading regulation—such as (i) liability rules for market abuse, (ii) enforcement regimes, (iii) supervisory frameworks, and (iv) governance of trading technology—the research identifies significant regulatory gaps and proposes a range of policy solutions. Key recommendations include (i) clarifying the legal definition of market manipulation, (ii) strengthening liability and enforcement regimes, (iii) adopting a behavioural-based approach to market conduct supervision, and (iv) establishing an EU-wide supervisory technology (SupTech) ecosystem for effective cross-market surveillance. Finally, the dissertation introduces a novel risk-based regulatory approach for AI applications in algorithmic trading, inspired by the EU AI Act. This approach departs from the prevailing principle of ‘technology neutrality’, emphasising proportional requirements for AI governance across the entire lifecycle from an engineering perspective.
Ultimately, this dissertation advances an interdisciplinary research agenda at the intersection of Finance, Law, and Informatics, aiming to inform and support academics, policymakers, and financial regulators in crafting future-proof regulations for AI within the domain of regulated financial trading.Die Finanzhandelsbranche befindet sich inmitten einer technologischen (R)Evolution, die durch Künstliche Intelligenz (KI) und ihren Teilbereich des Maschinellen Lernens (ML) vorangetrieben wird. Da KI-basierte algorithmische Handelssysteme immer ausgefeilter, leistungsfähiger und autonomer werden, nimmt die aktive Rolle menschlicher Akteure ab. Gleichzeitig nehmen die Bedenken hinsichtlich der Auswirkungen auf die Markteffizienz, -integrität und -stabilität zu, was hauptsächlich auf die unbeabsichtigten Folgen und den potenziellen Missbrauch fortschrittlicher Anwendungen zurückzuführen ist. In dieser Dissertation werden die neuartigen Risiken für die Kapitalmärkte, die durch ML und andere fortgeschrittene Methoden entstehen, analysiert, konzeptualisiert und bewertet, wobei der Schwerpunkt auf Methoden des (Deep) Reinforcement Learning (DRL) als Fallstudie liegt. Durch einen interdisziplinären Ansatz verbindet diese Arbeit Erkenntnisse aus den Bereichen Finanzen, Recht und Informatik.
Die Dissertation beginnt mit der Untersuchung, wie nachfolgende KI-Generationen im Finanzhandel zu einer höheren Systemkomplexität geführt haben. Auf der Grundlage modernster Forschung im Bereich Computational Finance wird aufgezeigt, wie sich der rasante Fortschritt im Bereich ML – beispielhaft dargestellt durch DRL-Anwendungen – grundlegend auf die Kapitalmärkte ausgewirkt hat, einschließlich des Auftretens neuer Risiken des Marktmissbrauchs. Daher werden in der Dissertation vier grundlegende Szenarien konzipiert, die nach unterschiedlichem Grad der menschlichen Beteiligung kategorisiert sind und in denen der KI-Handel Marktmanipulationen begünstigen kann. Die Diskussion erstreckt sich auf die Durchsetzung von Marktverhaltensregeln und konzentriert sich auf die erhöhten Risiken, die durch DRL-Methoden entstehen, die autonome Handelsagenten in die Lage versetzen, Marktmanipulationen oder sogar „stillschweigende“ Absprachen zu betreiben, unabhängig von der spezifischen menschlichen Absicht.
Aufbauend auf diesen Erkenntnissen bewertet die Dissertation die Angemessenheit des EU-Rechtsrahmens für den algorithmischen Handel – insbesondere MiFID II/MiFIR und MAR/MAD. Sie untersucht die ethischen und rechtlichen Herausforderungen, die sich aus den wichtigsten technologisch-methodischen Besonderheiten von KI-Systemen ergeben, einschließlich ihrer operativen „Autonomie“ und „Opazität“. Durch eine detaillierte Analyse kritischer Elemente der Regulierung des algorithmischen Handels – wie (i) Haftungsregeln für Marktmissbrauch, (ii) Durchsetzungsregelungen, (iii) Aufsichtsrahmen und (iv) Governance der Handelstechnologie – identifiziert die Forschung erhebliche Regulierungslücken und schlägt eine Reihe von politischen Lösungen vor. Zu den wichtigsten Empfehlungen gehören (i) die Klärung der rechtlichen Definition von Marktmanipulation, (ii) die Stärkung der Haftungs- und Durchsetzungsregelungen, (iii) die Annahme eines verhaltensbasierten Ansatzes für die Überwachung des Marktverhaltens und (iv) die Einrichtung eines EU-weiten SupTech-Ökosystems (Supervisory Technology) für eine effektive marktübergreifende Überwachung. Schließlich stellt die Dissertation einen neuartigen risikobasierten Regulierungsansatz für KI-Anwendungen im algorithmischen Handel vor, der vom EU-KI-Gesetz inspiriert ist. Dieser Ansatz weicht vom vorherrschenden Prinzip der „Technologieneutralität“ ab und betont die Verhältnismäßigkeit der Anforderungen an die KI-Governance über den gesamten Lebenszyklus aus technischer Sicht.
Letztendlich fördert diese Dissertation eine interdisziplinäre Forschungsagenda an der Schnittstelle von Finanzen, Recht und Informatik, die darauf abzielt, Akademiker, politische Entscheidungsträger und Finanzaufsichtsbehörden bei der Ausarbeitung zukunftssicherer Vorschriften für KI im Bereich des regulierten Finanzhandels zu informieren und zu unterstützen
Detektieren von einzelnen Nanopartikeln mit einem Mikrofluidik-Sensor bei Gigahertz-Frequenzen
No full textState-of-the-art microfluidic devices face challenges in detecting and characterizing the dielectric properties of individual nanoscale objects due to their limited sensitivity. To overcome this issue, a new coupling-based coplanar waveguide (cCPW) sensor was proposed and demonstrated. This sensor features a capacitively coupled λ/4 resonator with improved sensitivity owing to its reduced electrical length and finely tuned characteristic impedance. Additionally, the innovative design extends the established tank circuit configuration with a coupling component, significantly improving sensitivity. The performance of this system is evaluated against conventional sensors by introducing a new figure-of-merit (FOM). The sensor’s FOM is 1300, indicating a 15-fold sensitivity enhancement over the most sensitive microwave sensors to date.
A wafer-level manufacturing process was developed that integrates 16 individual sensor chips onto a single two-inch wafer. Each chip occupies a compact footprint of 8 x 12 mm. Additionally, a setup was established that interfaces these chips with a radio frequency (RF) circuit, a fluorescent microscope, and a fluidic system. This arrangement permits the simultaneous electrical sensing and optical monitoring of particles while maintaining control over the fluidic flow.
The RF circuit consists of a new interferometric impedance matching configuration, demonstrating unprecedented sensitivity and ultra-fast sensing capabilities by inflow detection of polystyrene beads, cells, droplets, and liposomes. In particular, for the detection of polystyrene beads as small as 200 nm, a signal-to-noise ratio of up to 417 has been achieved. To our best knowledge, these are the smallest single particles detected at RF with the highest signal-to-noise ratio. Furthermore, a peak processing algorithm was developed to ensure reproducible data by correcting the impedance-match quality and the drift in the amplitude and phase values.
Our research represents a significant advancement towards the high-throughput classification of virions, proteins, and DNA utilizing their high-frequency dielectric properties. Since RF characterization is still an under-explored field, especially for the dielectric characterization of single nanoparticles, it opens up vast opportunities for advances in both scientific and diagnostic applications.Gegenwärtige mikrofluidische dielektrische Messsysteme sind nicht empfindlich genug, um einzelne nanoskopische Partikel zu detektieren/charakterisieren. Um dieses Hindernis zu überwinden, wurde ein neuer kopplungsbasierter koplanarer Wellenleitersensor entwickelt. Dieser Sensor besteht aus einem λ/4-Resonator, der über eine Kapazität mit der Zuleitung verbunden ist. Das Messprinzip dieses Sensors beruht auf der Modulation dieser Kopplungskapazität. Diese Anordnung beruht also nicht nur auf einer Modulation der Eigenfrequenz eines elektrischen Schwingkreises, da auch die Kopplung moduliert wird und somit die Empfindlichkeit erhöht wird. Die Leistungsfähigkeit des Sensors wird im Vergleich zu konventionellen Sensoren durch die Einführung einer neuen Metrik, der Figure-of-Merit (FOM), bewertet. Die FOM des Sensors beträgt ca. 1300, was eine 15-fache Verbesserung der Empfindlichkeit gegenüber den bisher empfindlichsten Mikrowellensensoren bedeutet.
Darüber hinaus wurde ein Herstellungsverfahren auf Wafer-Ebene entwickelt, mit dem 16 Sensoren mit einer Größe von 8 x 12 mm auf einem einzigen 2-Zoll-Wafer hergestellt werden können. Außerdem wurde ein Aufbau entwickelt, der die Sensoren in einen Hochfrequenzschaltkreis, ein Fluoreszenzmikroskop und ein Fluidiksystem integriert. Diese Anordnung ermöglicht die gleichzeitige elektrische und optische Beobachtung von Partikeln bei paralleler Kontrolle des Partikelflusses.
Eine Besonderheit des Hochfrequenzschaltkreises ist die Impedanzanpassung des Mikrowellensensors, die interferometrisch realisiert wurde. Dies ist die erste Anwendung einer solchen Impedanzanpassung in einem mikrofluidischen Sensor. Mit dem neuartigen Sensor und der Impedanzanpassung konnte eine bisher unerreichte Empfindlichkeit bei ultraschneller Messgeschwindigkeit demonstriert werden. Mit dem neuen Aufbau wurden Polystyrolkügelchen, Zellen, Tröpfchen und Liposomen detektiert. Bei der Detektion von Polystyrolkügelchen mit einer Größe von 200 nm wurde ein Signal-Rausch-Verhältnis von bis zu 417 erreicht. Dies sind nach unserem Kenntnisstand die kleinsten Partikel mit dem höchsten Signal-Rausch-Verhältnis, die mit Mikrowellen detektiert wurden. Darüber hinaus wurde ein Algorithmus zur Peakverarbeitung entwickelt, der die Impedanzanpassung sowie Amplituden- und Phasendrift korrigiert und somit reproduzierbare Messungen gewährleistet.
Unsere Forschung stellt einen bedeutenden Fortschritt auf dem Weg zur Hochdurchsatzcharakterisierung von Virionen, Proteinen und DNA anhand ihrer dielektrischen Eigenschaften dar. Da die Charakterisierung mit Mikrowellen ein noch wenig erforschtes Gebiet ist, insbesondere die dielektrische Charakterisierung von einzelnen Nanopartikeln, eröffnet sie große Möglichkeiten sowohl für wissenschaftliche als auch für diagnostische Anwendungen
A matter of size: exploring atom-ion interactions on mesoscopic and macroscopic length scales
No full textThe desire to further our understanding of complex physical phenomena and exploit quantum mechanics for useful applications has driven the development of controlled quantum systems which are well-isolated from their environment. Two of the earliest and most notable platforms are (i) trapped ultracold gases of neutral atoms and (ii) trapped ions. Due to the numerous achievements of these two platforms, interest emerged in combining both within a single setup for probing atom-ion interactions. Unlike interactions between neutral species, atom-ion interactions extend over mesoscopic length scales of hundreds of nanometres. Not only do atom-ion systems permit studies of charge-neutral chemistry - responsible among other things for the formation of water in the interstellar medium - they further provide a distinctive setup for quantum information processing and the simulation of many-body systems.
Today, many quantum information and simulation platforms make considerable use of the internal structure of single atoms. In particular, highly-excited atomic states have proved extremely useful for engineering entanglement between pairs of atoms over macroscopic distances. Within the context of atom-ion systems, the use of these so-called Rydberg atoms was initially proposed as a path to circumventing challenges in observing ultracold atom-ion collisions. More recently however, ion-Rydberg systems have proved themselves as attractive setups for observing fundamental chemical processes in situ due to their inherently slow vibrational dynamics on the order of microseconds.
The path to understanding and exploiting many-body phenomena often rests on intuition developed in systems with fewer numbers of particles – a notable example being the Rydberg blockade mechanism, which emerged out of the understanding of interactions between pairs of Rydberg atoms. To that end, this thesis is devoted to the study of few-body ultracold systems of atoms and ions from a theoretical perspective. We consider not only mesoscopic-scale atom-ion interactions present in the electronic ground- state, but also explore interactions between ions and Rydberg atoms, where interactions inflate to the macroscopic-scale. We present our results cumulatively in five successive scientific contributions, which can be roughly grouped into three different themes.
Our first theme examines how atom-ion interactions compete with other forces to influence a system’s static properties. Here, we explore a trapped system of two ground-state bosonic atoms interacting with an ion. We characterise the energy and spatial structure of the lowest few eigenstates in different regimes of interatomic interaction and relative trapping strength of the two species.
Our second theme is quantum control. Here, we first consider the use of an externally-swept ion-like potential for deterministically driving trapped atoms between different vibrational states. In a subsequent work in collaboration with experiment, we examine the collisional dynamics of an interacting ion-Rydberg pair. We develop a semi-classical coupled-channel model to describe these collisions and explore the tunability of beyond Born-Oppenheimer physics exhibited by the colliding pair.
Our final theme concerns the formation and stability of weakly-bound triatomic Rydberg molecular ions. In one work, we reveal that a bound ion-Rydberg dimer can capture additional neutral ground-state atoms through attractive scattering with the Rydberg electron. Ion-induced mixing of different Rydberg states leads to distinctive patterns of maxima in the electronic density of the Rydberg electron, which support both linear and non-linear triatomic configurations. In our final work, we examine a system of two cations interacting with a Rydberg atom. The large repulsion between the cation pair means that such systems are generally unstable. However, we find that the ion-Rydberg interaction can stabilise the system against Coulomb explosion above a critical value of the principal quantum number. In other words, introducing additional energy to the system in the form of a Rydberg excitation can paradoxically make it more stable