Dispersion of Hybrid Electromagnetic-Spin Waves in the Slotline

The presented thesis is devoted to investigation of wave processes in hybrid ferrite / ferroelectric structures. Spin wave devices based on ferrite films have such disadvantages, as huge size of the magnetic systems, low tuning velocity, considerable power inputs for parameters control that limits possible device applications. The considered layered structures allow to overcome the disadvantages mentioned and to promote the development of novel class of tunable microwave devices. The proposed theoretical analysis is intended to construct a model of hybrid electromagnetic-spin waves. Based on the theoretical analysis the experimental investigations were carried out. The experimental resonance characteristics of ferrite / ferroelectric resonator were obtained and their tunability by means of magnetic and electric field was demonstrated.

Spin-electromagnetic waves spectra in multiferroic heterostructures

This work devotes to the theoretical investigations of spin-electromagnetic waves (SEW) propagating in a thin-film multiferroic structures that were composed of a slot-line and structures with several ferrite films. In contrast to earlier works, the spin-electromagnetic waves in the investigated structures are originated from two different electrodynamics coupling. The first one is coupling of the electromagnetic wave localized mainly in the slot-line with the spin wave excited mostly in the ferrite film. The second one is coupling of two spin waves in the different ferrite films separated by a thin ferroelectric film. For theoretical analysis of SEWs propagation in such kind of structures theories of their eigen-wave spectra were developed. Spectra of SEW in the investigated structures were calculated and analyzed. The range of electric and magnetic tunability of dispersion characteristic were investigated. Spectra of SEW in the investigated multiferroic structures are used for investigation of transfer function of periodic structures.

Spin-Dynamics in Cold Gases of 87Rb and Atomic Hydrogen. The spins they are a-changin’

In this thesis the dynamics of cold gaseous atoms is studied. Two different atomic species and two different experimental techniques have been used. In the first part of the thesis experiments with Bose-Einstein condensates of Rb-87 are presented. In these experiments the methods of laser cooling and magnetic trapping of atoms were utilized. An atom chip was used as the experimental technique for implementation of magnetic trapping. The atom chip is a small integrated instrument allowing accurate and detailed manipulation of the atoms. The experiments with Rb-87 probed the behaviour of a falling beam of atoms outcoupled from the Bose-Einstein condensate by electromagnetic field induced spin flips. In the experiments a correspondence between the phases of the outcoupling radio frequency field and the falling beam of atoms was found. In the second part of the thesis experiments of spin dynamics in cold atomic hydrogen gas are discussed. The experiments with atomic hydrogen are conducted in a cryostat using a dilution refrigerator as the cooling method. These experiments concentrated on explaining and quantifying modulations in the electron spin resonance spectra of doubly polarized atomic hydrogen. The modifications to the previous experimental setup are described and the observation of electron spin waves is presented. The observed spin wave modes were caused by the identical spin rotation effect. These modes have a strong dependence on the spatial profile of the polarizing magnetic field. We also demonstrated confinement of these modes in regions of strong magnetic field and manipulated their spatial distribution by changing the position of the field maximum.

Spin-offien vaikutus omistaja-arvoon

Perusteluna spin-offien toteuttamisen taustalta löytyy pyrkimys omistaja-arvon kasvattamiseen. Tämän tutkielman tarkoituksena on selvittää spin-offien vaikutusta omistaja-arvoon lyhyellä ja pitkällä aikavälillä. Aluksi tutkielmassa on tehty selkoa ulkomaisista tutkimustuloksista, joissa käsitellään spin-offien vaikutusta omistaja-arvoon. Saatuja tuloksia on verrattu lopuksi kolmeen suomalaiseen spin-offiin. Aikasempien tutkimusten tuloksiksista käy ilmi että spin-offien toteuttamisella on positiivinen vaikutus omistaja-arvoon sekä lyhyellä että pitkällä aikavälillä. Samanlainen positiivinen vaikutus voidaan todeta myös tässä tutkielmassa tutkituissa kolmessa suomalaisessa spin-off-tapauksessa. Omistaja-arvoon vaikuttavina tekijöinä otettiin huomioon yhtiöiden osakekurssien kehitys, jaetut osingot, osakkeiden jakamiset ja mahdolliset pääomanpalautukset. Tutkittavien suomalaisten yhtiöiden omistaja-arvojen kehitystä mitattiin spin-offin ilmoituspäivän läheisyydessä sekä noin yhdestä kolmeen vuotta spin-offin toteutuksen jälkeen. Saatuja tuloksia verrattiin kotimaisilta osakemarkkinoilta saatuihin keskimääräisiin tuottoihin.

Non-Markovian Dynamics of the Spin-Boson Model

Avointen kvanttisysteemien teoria tutkii, miten vuorovaikutus laajan ympäristön kanssa muuttaa kvanttisysteemin dynamiikkaa. Kaikki kvanttisysteemit ovat pohjimmiltaan avoimia, joten tällaisten systeemien ymmärtäminen on välttämätöntä kvanttimaailman ymmärtämiseksi. Spin-bosoni -malli kuvaa avointa kaksitasosysteemiä, joka vuorovaikuttaa bosoneista koostuvan ympäristön kanssa. Useat fysikaaliset systeemit käyttäytyvät kaksitasosysteemin tavoin matalissa lämpötiloissa, jonka vuoksi spin-bosoni -mallilla on merkittävä rooli avointen kvanttisysteemien tutkimuksessa. Tutkielman ensimmäinen luku käsittelee yleistä avointen kvanttisysteemien teoriaa ja menetelmiä ei-Markovisen liikeyhtälön johtamiseksi. Ei-Markovinen liikeyhtälö kuvaa ympäristöstä systeemiin takaisin virtaavan informaation vaikutusta systeemin dynamiikkaan. Toisessa luvussa on johdettu spin-bosoni -mallille ei-Markovinen liikeyhtälö ja tarkasteltu spin-systeemin dynamiikkaa joissain erityistapauksissa. Kolmannessa luvussa on esitelty kvanttihyppymenetelmiä avointen systeemien dynamiikan ratkaisemiseksi ja sovellettu ei-Markovisten kvanttihyppyjen teoriaa spinbosoni -mallin tutkimiseksi. Ei-Markovisten kvanttihyppyjen teoriaa käyttämällä voidaan selittää spin-systeemin tiheysmatriisin populaatioissa ja koherensseissa havaittavien ei-Markovisten efektien alkuperä käännettyjen kvanttihyppyjen avulla. Tutkielman viimeisessä osassa esitellään muutamia spin-bosoni -mallin sovellutuksia fysiikan eri alueilta.

Microwave Slot Transmission Line Filled with Ferroelectric and Ferromagnetic Layers

Now when the technology is fast developing it is very important to investigate new hybrid structures. One way is to use ferrite ferroelectric layered structures. Theoretical and experimental investigation of such structures was made. These structures have advantages of both layers and it is possible to tune the behavior of this structure by external electric and magnetic field. But these structures have some disadvantages connected with presence of thick ferroelectric layer. One way to overcome this problem is to use slotline. So this is another new way to create hybrid ferrite ferroelectric structures, but it is needed to create new theory and find experimental proof that the behavior of these structures can be tuned with external magnetic and electric fields.

Microwave Processes in Ferrite-ferroelectric Layered Structure

This work is devoted to investigation of wave processes in new hybrid ferrite/ferroelectric structures. Spin wave devices based on ferrite films have disadvanteges. And their applications are limited. Investigated structures allow to overcome disadvantages. This investigation helps to create new class of devices. Electromagnetic analysis of hybrid spin-electromagnetic waves in ferrite/ferroelectric structures were done. As a result dispersion relation was found. Numerical solution of this dispersion relation gave us follow results. These structures can be effectively tuned by external electric and magnetic field. Methods to increase tuning range were suggested. It was found that such structures have one basic disadvantage which is connected with presence of thick ferroelectric layer. To solve this problem is to use thin ferroelectric films. But this decreases tuning range. It was confirmed by experiment that this structures can be effectively tuned by electric and magnetic fields. Resonance characteristics of ferrite/ferroelectric resonator were succesfully tuned by magnetic and electric field.

Some defects in two-dimensional spin-1/2 Heisenberg antiferromagnets: a numerical study of magnetic effects

En del av de intressantaste fenomenen inom dagens materialfysik uppstår ur ett intrikat samspel mellan myriader av elektroner. Högtemperatursupraledare är det mest berömda exemplet. Varken klassiska teorier eller modeller där elektronerna är oberoende av varandra kan förklara de häpnadsväckande effekterna i de starkt korrelerade elektronsystemen. I vissa kopparoxider, till exempel La2CuO4, är det känt att valenselektronerna till följd av en stark ömsesidig växelverkan lokaliseras en och en till kopparatomerna i föreningens CuO2 plan. Laddningarnas inneboende magnetiska moment—spinnet—får då en avgörande roll för materialets elektriska och magnetiska egenskaper, vilka i exemplets fall kan beskrivas med Heisenbergmodellen som är den grundläggande teoretiska modellen för mikroskopisk magnetism. Men exakt varför föreningarna kan bli supraledande då de dopas med överskottsladdningar är än så länge en obesvarad fråga. Min avhandling undersöker orenheters inverkan på Heisenbergmodellens magnetiska egenskaper—ett problem av både experimentell och teoretisk relevans. En etablerad numerisk metod har använts—en kvantmekanisk Monte Carlo teknik—för att utföra omfattande datorsimuleringar av den matematiska modellen på två dedikerade Linux datorkluster. Arbetet hör till området beräkningsfysik. De teoretiska modellerna för starkt korrelerade elektronsystem, däribland Heisenbergmodellen, är ytterst invecklade matematiskt sett och de kan inte lösas exakt. Analytiska utredningar bygger för det mesta på antaganden och förenklingar vars inverkningar på slutresultatet är ofta oklara. I det avseende kan numeriska studier vara exakta, det vill säga de kan behandla modellerna som de är. Oftast behövs bägge tillvägagångssätten. Den röda tråden i arbetet har varit att numeriskt testa vissa högaktuella analytiska förutsägelser rörande effekterna av orenheter i Heisenbergmodellen. En del av dem har vi på basen av mycket noggranna data kunnat bekräfta. Men våra resultat har också påvisat felaktigheter i de analytiska prognoserna som sedermera delvis reviderats. En del av avhandlingens numeriska upptäckter har i sin tur stimulerat till helt nya teoretiska studier.

Electrical status epilepticus during sleep. Continuous spikes and waves during sleep

ABSTRACT Maria Peltola Electrical status epilepticus during sleep – Continuous spikes and waves during sleep Department of Clinical Neurophysiology, University of Turku Department of Clinical Neurophysiology and Department of Pediatric Neurology, Children’s Hospital, Helsinki University Central Hospital Annales Universitatis Turkuensis, Medica-Odontologica, Turku, Finland, 2014 Background: Electrical status epilepticus during sleep (ESES) is an EEG phenomenon of frequent spikes and waves occurring in slow sleep. ESES relates to cognitive deterioration in heterogeneous childhood epilepsies. Validated methods to quantitate ESES are missing. The clinical syndrome, called epileptic encephalopathy with continuous spikes and waves during sleep (CSWS) is pharmacoresistant in half of the patients. Limited data exists on surgical treatment of CSWS. Aims and methods: The effects of surgical treatment were studied by investigating electroclinical outcomes in 13 operated patients (nine callosotomies, four resections) with pharmacoresistant CSWS and cognitive decline. Secondly, an objective paradigm was searched for assessing ESES by the semiautomatic quantification of spike index (SI) and measuring spike strength from EEG. Results: Postoperatively, cognitive deterioration was stopped in 12 (92%) patients. Three out of four patients became seizure-free after resective surgery. Callosotomy resulted in greater than 90% reduction of atypical absences in six out of eight patients. The preoperative propagation of ESES from one hemisphere to the other was associated with a good response. Semiautomatic quantification of SI was a robust method when the maximal interspike interval of three seconds was used to determine the “continuous” discharge in ten EEGs. SI of the first hour of sleep appeared representative of the whole night SI. Furthermore, the spikes’ root mean square was found to be a stable measure of spike strength when spatially integrated over multiple electrodes during steady NREM sleep. Conclusions: Patients with pharmacoresistant CSWS, based on structural etiology, may benefit from resective surgery or corpus callosotomy regarding both seizure outcome and cognitive prognosis. The semiautomated SI quantification, with proper userdefined settings and the new spatially integrated measure of spike strength, are robust and promising tools for quantifying ESES. Keywords: Electrical status epilepticus during sleep, ESES, continuous spikes and waves during sleep, CSWS, epilepsy surgery, spike index, spike strength, RMS TIIVISTELMÄ Maria Peltola Unenaikainen sähköinen status epilepticus Kliininen neurofysiologia, Turun yliopisto Kliininen neurofysiologia ja lastenneurologia, Lasten ja nuorten sairaala, Helsingin yliopistollinen keskussairaala Annales Universitatis Turkuensis, Medica-Odontologica, Turku, Suomi, 2014 Tausta: Sähköinen status epilepticus unessa (ESES) on aivosähkökäyrä (EEG)-ilmiö, jossa hidasaaltounen aikana esiintyy tiheä piikkihidasaaltopurkaus. ESES:n kvantifioimiseen ei ole olemassa validoituja menetelmiä. ESES on liitetty kognitiivisen tason laskuun ja tällöin puhutaan CSWS (continuous spikes and waves during sleep) - oireyhtymästä. CSWS ei vastaa lääkehoitoon puolella potilaista ja sen epilepsiakirurgisesta hoidosta on olemassa vain vähän tietoa. Tavoitteet ja menetelmät: Selvitimme retrospektiivisesti epilepsiakirurgian vaikusta elektrokliinisiin löydöksiin 13:lla lääkeresistenttiä CSWS-oireyhtymää sairastavalla lapsella, joilla oli rakenteellinen aivojen poikkeavuus. Toinen tavoite oli löytää objektiivinen puoliautomaattinen tapa mitata purkauksen määrää ja piikkien voimakkuutta EEG:stä. Tulokset: Kognitiivisen tason jatkuva heikentyminen loppui 12 (92 %) potilaalla leikkauksen jälkeen. Kolme neljästä resektiopotilaasta tuli kohtauksettomaksi. Kallosotomian jälkeen kuudella kahdeksasta potilaasta päivittäiset kohtaukset vähenivät yli 90 %:lla. Purkauksen leviäminen leikkausta edeltävästi vain yhdestä hemisfääristä toiseen liittyi hyvään leikkaushoitovasteeseen. Piikki-indeksi, jossa käytetään jatkuvan purkauksen määritelmänä maksimissaan kolmea sekuntia piikkien välillä, osoittautui luotettavaksi menetelmäksi ESES:n kvantifioimiseen. Useammasta elektrodista integroitu piikkien neliöllinen keskiarvo oli piikin voimakkuuden vakaa mitta häiriintymättömässä NREM-unessa. Päätelmät: Lääkehoidolle vastaamatonta CSWS:ää sairastavat potilaat, joilla on rakenteellinen aivopoikkeavuus ja yhdensuuntainen purkauksen leviämismalli, näyttävät kohtausten vähenemisen lisäksi hyötyvän epilepsiakirurgiasta kognitiivisesti. Puoliautomaattinen piikki-indeksin kvantifiointi sopivilla käyttäjäasetuksilla ja uusi spatiaalisesti integroitu piikin voimakkuuden mittari ovat stabiileja ja lupaavia ESES:n kvantitatiivisia mittareita. Avainsanat: Unenaikainen sähköinen status epilepticus, ESES, CSWS, epilepsiakirurgia, piikki-indeksi, piikin voimakkuus, neliöllinen keskiarvo

Spin Polarization and Normal Reflection at Nanoscale Point Contacts

This thesis presents point-contact measurements between superconductors (Nb, Ta, Sn,Al, Zn) and ferromagnets (Co, Fe, Ni) as well as non-magnetic metals (Ag, Au, Cu, Pt).The point contacts were fabricated using the shear method. The differential resistanceof the contacts was measured either in liquid He at 4.2 K or in vacuum in a dilutionrefrigerator at varying temperature down to 0.1 K. The contact properties were investigatedas function of size and temperature. The measured Andreev-reflection spectrawere analysed in the framework of the BTK model – a three parameter model that describescurrent transport across a superconductor - normal conductor interface. Theoriginal BTK model was modified to include the effects of spin polarization or finitelifetime of the Cooper pairs. Our polarization values for the ferromagnets at 4.2 K agree with the literature data, but the analysis was ambiguous because the experimental spectra both with ferromagnets and non-magnets could be described equally well either with spin polarization or finite lifetime effects in the BTK model. With the polarization model the Z parametervaries from almost 0 to 0.8 while the lifetime model produces Z values close to 0.5. Measurements at lower temperatures partly lift this ambiguity because the magnitude of thermal broadening is small enough to separate lifetime broadening from the polarization. The reduced magnitude of the superconducting anomalies for Zn-Fe contacts required an additional modification of the BTK model which was implemented as a scaling factor. Adding this parameter led to reduced polarization values. However, reliable data is difficult to obtain because different parameter sets produce almost identical spectra.