Kinetic-Energy Density-Functional Theory on a Lattice

We present a kinetic-energy density-functional theory and the corresponding kinetic-energy Kohn-Sham (keKS) scheme on a lattice and show that by including more observables explicitly in a density-functional approach already simple approximation strategies lead to very accurate results. Here we promote the kinetic-energy density to a fundamental variable along side the density and show for specific cases (analytically and numerically) that there is a one-to-one correspondence between the external pair of on-site potential and site-dependent hopping and the internal pair of density and kinetic-energy density. Based on this mapping we establish two unknown effective fields, the mean-field exchange-correlation potential and the mean-field exchange-correlation hopping, that force the keKS system to generate the same kinetic-energy density and density as the fully interacting one. We show, by a decomposition based on the equations of motions for the density and the kinetic-energy density, that we can construct simple orbital-dependent functionals that outperform the corresponding exact-exchange Kohn-Sham (KS) approximation of standard density-functional theory. We do so by considering the exact KS and keKS systems and compare the unknown correlation contributions as well as by comparing self-consistent calculations based on the mean-field exchange for the keKS and the exact-exchange for the KS system, respectively

Specific protein-interactors of Ataxin-2

In dieser Arbeit wurden potentielle Mitglieder des Proteinnetzwerks um Ataxin-2 untersucht, um Rückschlüsse auf die bisher unbekannte Funktion von Ataxin-2 machen zu können. Ataxin-2 ist das Krankheitsprotein der Spinozerebellären Ataxie Typ 2, einer Polyglutaminerkrankung, bei der die Expansion eines Polyglutamintraktes zur Degeneration von Purkinje-Neuronen führt. Da die Funktion von Ataxin-2 bisher nicht ermittelt werden konnte, sollte die Charakterisierung seiner Protein-Interaktoren es ermöglichen, Einblicke in seine Funktion zu gewinnen. Dazu wurden die drei Kandidaten „Similar to golgin-like“, TRAP und alpha-Actinin-1 untersucht, die alle drei mit Hilfe von Hefe-2-Hybrid Screens identifiziert worden waren. Im Fall von „Similar to golgin-like“, einem aus Genom und cDNA-Fragmenten hervorgesagten Protein unbewiesener Existenz, konnte eine mutationsabhängige Modulation der Bindungsstärke an Ataxin-2 im Hefe-2-Hybrid-System gezeigt werden, die sich allerdings mit rekombinanten Proteinen in Koimmunpräzipitationen in Säuger-Zellen nicht reproduzieren ließ. Beide Proteine kolokalisierten am ER, unabhängig von der Länge des pathogenen Polyglutamintraktes-2 in Ataxin. Gegen ein SIM-Peptid hergestellte Antikörper zeigten eine exklusive Expression im menschlichen Gehirn und wurden erfolgreich zum Nachweis eines endogenen Komplexes aus Ataxin-2 und SIM-IR im krankheitsrelevanten Gewebe eingesetzt. Allerdings war es nicht möglich, mittels 5’-RACE und 2D-Gel Massenspektrometrie die potentiellen Isoformen von SIM näher zu charakterisieren. Zur funktionellen Analyse von SIM wurden intrazelluläre Transportvorgänge am Golgi-Apparat untersucht, aber ein Einfluss von SIM / Ataxin-2 ließ sich nicht belegen. Im Fall des Interaktions-Kandidaten TRAP wurden Antikörper hergestellt und mit einem bereits publizierten polyklonalen Antikörper, der TRAP in rattus norvegicus erkennt, verglichen. Die Expressionsmuster zeigten eine identische Expression im Hirn und der Testis. Eine Kolokalisations-Studie wies sowohl TRAP als auch Ataxin-2 am ER nach. Allerdings erwiesen sich alle verwendeten Antikörper als ungeeignet für Immunpräzipitationen, so dass die physiologische Existenz des endogenen TRAP-Ataxin-2 Komplexes nicht bewiesen werden kann. Im Fall des Interaktor-Kandidaten alpha-Actinin-1 ließ sich die Interaktion mit Ataxin-2 sowohl für die endogenen Proteine in der zytosolischen Fraktion von Mausgehirnen als auch für die rekombinanten Proteine in Säuger-Zellen belegen. Beide Proteine konnten im Zytosol und zu kleineren Anteilen an der Plasmamembran kolokalisiert werden. Als verantwortliche Subdomänen im Fall von Ataxin-2 wurde der N-terminale Bereich des Proteins in der Nähe der pathogenen Expansion, im Fall von alpha-Actinin-1 die Aktin-bindende Domäne durch GST-pulldown Analysen identifiziert. Darauf aufbauend wurde in Patienten-Fibroblasten das Aktinzytoskelett und die Dynamik von alpha-Actinin-1 in Anwesenheit der Ataxin-2-Polyglutamin-Expansion untersucht, wobei allerdings kein Unterschied zu erkennen war. Anschließend an die Analyse des Zytoskeletts wurde ein möglicher Einfluss von Ataxin-2 und seiner Polyglutamin-Expansion auf die EGF-Rezeptorinternalisierung studiert, da eine Rolle von Ataxin-2 auf die Endozytose in parallelen Analysen der Arbeitsgruppe wahrscheinlich wurde. Hierzu wurden Säuger-Zellen mit alpha-Actinin-1 transfiziert und die Internalisierung mikroskopisch und mittels Analyse der ERK1/2 Aktivierung verfolgt. Ergänzt wurden die Experimente durch Analysen zur ERK1/2 Aktivierung in Patienten- und Kontroll-Fibroblasten. Entgegen den Erwartungen hatte die Überexpression von alpha-Actinin-1 keinen Einfluss auf die Internalisierung, und bei keinem der Ansätze zeigte sich eine signifikante Veränderung der ERK1/2 Aktivierung. Auch Transkriptombefunde aus SCA2-KO Gewebe, nach denen einzelne Gene des Zytoskeletts oder der Rezeptor-Endozytose ihre Expression ändern, ließen sich nicht mit Konsistenz validieren. Abschließend wurden Experimente zur subzellulären Lokalisation von Ataxin-2 durchgeführt, die eine Lokalisation am ER und nicht wie bisher berichtet am Golgi-Apparat sicherten und Ergebnisse zur Assoziation mit Polyribosomen bekräftigten. Obwohl somit bei allen drei Proteininteraktor-Kandidaten glaubwürdige Befunde für eine Ataxin-2 Bindung sprechen, ist derzeit eine funktionelle Analyse der Assoziationen nicht möglich und eine klare Definition der physiologischen Rolle von Ataxin-2 lässt sich aus diesen Daten nicht ableiten, wenn auch die prominente Lokalisation von Ataxin-2 am rauen endoplasmatischen Retikulum mit einem Einfluss von Ataxin-2 auf die ribosomale Translation und die Sekretion in Cisternen kompatibel ist

Effect of spin-orbit coupling on the high harmonics from the topological Dirac semimetal Na3Bi

In this work, we performed extensive first-principles simulations of high-harmonic generation in the topological Diract semimetal Na3Bi using a time-dependent density functional theory framework, focusing on the effect of spin-orbit coupling (SOC) on the harmonic response. We also derived a general analytical model describing the microscopic mechanism of strong-field dynamics in presence of spin-orbit coupling, starting from a locally U(1)xSU(2) gauge-invariant Hamiltonian. Our results reveal that SOC: (i) affects the strong-field ionization by modifying the bandstructure of Na3Bi, (ii) modifies the electron velocity, making each spin channel to react differently to the pump laser field, (iii) changes the emission timing of the emitted harmonics. Moreover, we show that the SOC affects the harmonic emission by directly coupling the charge current to the spin currents, paving the way to the high-harmonic spectroscopy of spin currents in solids

The Free Electron Gas in Cavity Quantum Electrodynamics

Cavity modification of material properties and phenomena is a novel research field largely motivated by the advances in strong light-matter interactions. Despite this progress, exact solutions for extended systems strongly coupled to the photon field are not available, and both theory and experiments rely mainly on finite-system models. Therefore a paradigmatic example of an exactly solvable extended system in a cavity becomes highly desireable. To fill this gap we revisit Sommerfeld's theory of the free electron gas in cavity quantum electrodynamics (QED). We solve this system analytically in the long-wavelength limit for an arbitrary number of non-interacting electrons, and we demonstrate that the electron-photon ground state is a Fermi liquid which contains virtual photons. In contrast to models of finite systems, no ground state exists if the diamagentic $\textbf{A}^2$ term is omitted. Further, by performing linear response we show that the cavity field induces plasmon-polariton excitations and modifies the optical and the DC conductivity of the electron gas. Our exact solution allows us to consider the thermodynamic limit for both electrons and photons by constructing an effective quantum field theory. The continuum of modes leads to a many-body renormalization of the electron mass, which modifies the fermionic quasiparticle excitations of the Fermi liquid and the Wigner-Seitz radius of the interacting electron gas. Lastly, we show how the matter-modified photon field leads to a repulsive Casimir force and how the continuum of modes introduces dissipation into the light-matter system. Several of the presented findings should be experimentally accessible

Post-processing noisy quantum computations utilizing N-representability constraints

We propose and analyze a method for improving quantum chemical energy calculations on a quantum computer impaired by decoherence and shot noise. The error mitigation approach relies on the fact that the one- and two-particle reduced density matrices (1- and 2-RDM) of a chemical system need to obey so-called N-representability constraints. We post-process the result of an RDM measurement by projecting it into the subspace where certain N-representability conditions are fulfilled. Furthermore, we utilize that such constraints also hold in the hole and particle-hole sector and perform projections in these sectors as well. We expand earlier work by conducting a careful analysis of the method's performance in the context of quantum computing. Specifically, we consider typical decoherence channels (dephasing, damping, and depolarizing noise) as well as shot noise due to a finite number of projective measurements. We provide analytical considerations and examine numerically three example systems, \ch{H2}, \ch{LiH}, and \ch{BeH2}. From these investigations, we derive our own practical yet effective method to best employ the various projection options. Our results show the approach to significantly lower energy errors and measurement variances of (simulated) quantum computations

Experimental Evidence for Non-Thermal Contributions to Plasmon-Enhanced Electrochemical Oxidation Reactions

Photocatalysis based on plasmonic nanoparticles has emerged as a promising approach to facilitate light-driven reactions under far milder conditions than thermal catalysis. Several effects, such as strong local electromagnetic fields, increased electron and lattice temperatures, or the transfer of non-thermal charge carriers could contribute to the reaction rate enhancement. In order to understand plasmon-enhanced catalysis and to enable plasmonic platforms, a distinction between the different underlying effects is required. We investigate the electrochemical model reactions oxidative hydroxide adsorption and glucose oxidation and deconvolve the enhancement processes via their dependence on excitation wavelength. We observe that non-thermal effects contribute significantly to the plasmonic enhancement

Response of the topological surface state to surface disorder in TlBiSe2_2

Through a combination of experimental techniques we show that the topmost layer of the topo- logical insulator TlBiSe$_2$ as prepared by cleavage is formed by irregularly shaped Tl islands at cryogenic temperatures and by mobile Tl atoms at room temperature. No trivial surface states are observed in photoemission at low temperatures, which suggests that these islands can not be re- garded as a clear surface termination. The topological surface state is, however, clearly resolved in photoemission experiments. This is interpreted as a direct evidence of its topological self-protection and shows the robust nature of the Dirac cone like surface state. Our results can also help explain the apparent mass acquisition in S-doped TlBiSe$_2$.Comment: 16 pages, 5 figure