Electric field control of magnetism in hydrid ferromagnetic / ferroelectric materials

Väisälän palkinnon 2012 saaja.

Stars and Strings für Jazzensemble u. Streichorchester

Soitinnus: jazzyhtye, jousiorkesteri.

Inversion and assimilation methods with applications in geophysical remote sensing

Stratospheric ozone can be measured accurately using a limb scatter remote sensing technique at the UV-visible spectral region of solar light. The advantages of this technique includes a good vertical resolution and a good daytime coverage of the measurements. In addition to ozone, UV-visible limb scatter measurements contain information about NO2, NO3, OClO, BrO and aerosols. There are currently several satellite instruments continuously scanning the atmosphere and measuring the UVvisible region of the spectrum, e.g., the Optical Spectrograph and Infrared Imager System (OSIRIS) launched on the Odin satellite in February 2001, and the Scanning Imaging Absorption SpectroMeter for Atmospheric CartograpHY (SCIAMACHY) launched on Envisat in March 2002. Envisat also carries the Global Ozone Monitoring by Occultation of Stars (GOMOS) instrument, which also measures limb-scattered sunlight under bright limb occultation conditions. These conditions occur during daytime occultation measurements. The global coverage of the satellite measurements is far better than any other ozone measurement technique, but still the measurements are sparse in the spatial domain. Measurements are also repeated relatively rarely over a certain area, and the composition of the Earth’s atmosphere changes dynamically. Assimilation methods are therefore needed in order to combine the information of the measurements with the atmospheric model. In recent years, the focus of assimilation algorithm research has turned towards filtering methods. The traditional Extended Kalman filter (EKF) method takes into account not only the uncertainty of the measurements, but also the uncertainty of the evolution model of the system. However, the computational cost of full blown EKF increases rapidly as the number of the model parameters increases. Therefore the EKF method cannot be applied directly to the stratospheric ozone assimilation problem. The work in this thesis is devoted to the development of inversion methods for satellite instruments and the development of assimilation methods used with atmospheric models.

Small and Large Scale Dynamics in the Milky Way

This thesis contains dynamical analysis on four different scales: the Solar system, the Sun itself, the Solar neighbourhood, and the central region of the Milky Way galaxy. All of these topics have been handled through methods of potential theory and statistics. The central topic of the thesis is the orbits of stars in the Milky Way. An introduction into the general structure of the Milky Way is presented, with an emphasis on the evolution of the observed value for the scale-length of the Milky Way disc and the observations of two separate bars in the Milky Way. The basics of potential theory are also presented, as well as a developed potential model for the Milky Way. An implementation of the backwards restricted integration method is shown, rounding off the basic principles used in the dynamical studies of this thesis. The thesis looks at the orbit of the Sun, and its impact on the Oort cloud comets (Paper IV), showing that there is a clear link between these two dynamical systems. The statistical atypicalness of the orbit of the Sun is questioned (Paper I), concluding that there is some statistical typicalness to the orbit of the Sun, although it is not very significant. This does depend slightly on whether one includes a bar, or not, as a bar has a clear effect on the dynamical features seen in the Solar neighbourhood (Paper III). This method can be used to find the possible properties of a bar. Finally, we look at the effect of a bar on a statistical system in the Milky Way, seeing that there are not only interesting effects depending on the mass and size of the bar, but also how bars can capture disc stars (Paper II).

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.

Saostuman esto prosessiputken pinnalle

Työn tarkoituksena oli tutkia kirjallisuudessa esitettyjen menetelmien soveltuvuutta estää kalsiumkarbonaatin saostuminen PCC – prosessissa paperikonelinjan massansyöttöputkessa. Menetelmien heikkoudet ja toimivuudet arvioitiin lähdetietojen perusteella, joiden perusteella tehtiin johtopäätelmiä niiden toimivuudesta prosessissa ja käytettävyydestä kalsiumkarbonaattisaostuman muodostumiseen. Kirjallisuusselvitys osoittaa, että saostuma voidaan estää kemiallisesti ja sähkökemiallisesti sekä modifioimalla materiaalipintaa. Lisäksi sen muodostuminen voidaan estää ultraääniaaltojen avulla sekä indusoimalla mahdolliseen saostuskohtaan magneetti- tai sähkökenttä. Kokeellisessa osassa keskityttiin kirjallisuuden perusteella tutkimaan kalsiumkarbonaatin saostumista kaupallisilla menetelmillä. Tutkimuksissa käytettiin erilaisia pinnoitemateriaaleja, ultraääniaaltoja sekä magneettikenttää että liuossähkökemiaa. Näiden lisäksi tutkittiin saostumisen kehittymistä putkipinnalle ajan funktiona. Kokeellisten tulosten perusteella kirjallisuudessa esitetyistä menetelmistä ei suoraan mikään sovellu sellaisenaan tutkitussa prosessissa saostuman muodostumisen estoon. Koeparametrien optimointi muuttamalla tunnettuja parametreja prosessitilanteeseen paransi kalsiumkarbonaatin liukoisuutta. Tämän tutkimuksen tuloksena löytyi menetelmäkuvaus, jolla saostumien muodostuminen putkipinnoille voidaan estää.

Rautamalmin rikastus

Rautamalmin rikastuksessa hyödynnetään rautamineraalin ja sivukiven välisiä ominaisuuseroja, kuten tiheys-, magneettisuus- ja pintaominaisuuseroja. Yleisimmät rikastusmenetelmät ovat painovoimaerotus, magneettinen erotus ja flotaatio. Rikastusprosessi koostuu lisäksi malmin esikäsittelystä ja rikastelietteen vedenpoistosta. Rikastuksen tehokkuuteen vaikuttavat merkittävästi arvomineraalien jakautuminen malmissa, rikastuksessa käytetyt kemikaalit ja laiteominaisuudet. Näiden kehittämiseksi on tehty runsaasti tutkimuksia, joiden perusteella on voitu määritellä tietyt optimit erilaisille rikastusmenetelmille. Tässä työssä keskitytään rikastusprosessiin ja erilaisiin rikastusmenetelmiin ja siihen, kuinka ne sopivat ominaisuuksiltaan erilaisille rautamineraaleille. Lisäksi työssä otetaan huomioon rikastusprosessissa syntyvä rikastushiekka sekä sen prosessointi ja mahdollinen hyödyntäminen.

Circular Spectropolarimetric Studies of DQ White Dwarfs

This thesis summarizes studies of a class of white dwarfs (WDs) called DQ WDs. White dwarfs are the remnants of ordinary stars like our Sun that have run out of nuclear fuel. WDs are classified according to the composition of their atmosphere and DQ WDs have an atmosphere made of helium and carbon. The carbon comes in either atomic or molecular form and in some cases the strong spectral absorption features cover the entire optical wavelength region. The research presented here utilizes spectropolarimetry, which is an observational technique that combines spectroscopy and polarization. Separately these allow to study the composition of a target and the inhomogeneous distribution of matter in the target. Put together they form a powerful tool to probe the physical properties in the atmosphere of a star. It is espacially good for detecting magnetic fields. The papers in this thesis describe efforts to do a survey of DQ white dwarfs with spectropolarimetry in order to search for magnetic fields in them. Paper I describes the discovery of a new magnetic cool DQ white dwarf, GJ841B. Initial modeling of molecular features on DQ WDs showed inconsistencies with observations. The first possible solution to this problem was stellar spots on these WDs. To investigate the matter, two DQ WDs were monitored for photometric variability that could arise from the presence of such spots. Paper II summarizes this short campaign and reports the negative results. Paper III reports observations of the rest of the objects in our survey. The paper includes the discovery of polarization from another cool DQ white dwarf, bringing the total of known magnetic cool DQs to three. Unfortunately the model used in this thesis cannot, in its present state, be used to model these objects nor are the observations of high enough spectroscopic resolution to do so.

Multidata inverse problems and Bayesian solution methods in astronomy

Statistical analyses of measurements that can be described by statistical models are of essence in astronomy and in scientific inquiry in general. The sensitivity of such analyses, modelling approaches, and the consequent predictions, is sometimes highly dependent on the exact techniques applied, and improvements therein can result in significantly better understanding of the observed system of interest. Particularly, optimising the sensitivity of statistical techniques in detecting the faint signatures of low-mass planets orbiting the nearby stars is, together with improvements in instrumentation, essential in estimating the properties of the population of such planets, and in the race to detect Earth-analogs, i.e. planets that could support liquid water and, perhaps, life on their surfaces. We review the developments in Bayesian statistical techniques applicable to detections planets orbiting nearby stars and astronomical data analysis problems in general. We also discuss these techniques and demonstrate their usefulness by using various examples and detailed descriptions of the respective mathematics involved. We demonstrate the practical aspects of Bayesian statistical techniques by describing several algorithms and numerical techniques, as well as theoretical constructions, in the estimation of model parameters and in hypothesis testing. We also apply these algorithms to Doppler measurements of nearby stars to show how they can be used in practice to obtain as much information from the noisy data as possible. Bayesian statistical techniques are powerful tools in analysing and interpreting noisy data and should be preferred in practice whenever computational limitations are not too restrictive.

On state and parameter estimation in chaotic systems

State-of-the-art predictions of atmospheric states rely on large-scale numerical models of chaotic systems. This dissertation studies numerical methods for state and parameter estimation in such systems. The motivation comes from weather and climate models and a methodological perspective is adopted. The dissertation comprises three sections: state estimation, parameter estimation and chemical data assimilation with real atmospheric satellite data. In the state estimation part of this dissertation, a new filtering technique based on a combination of ensemble and variational Kalman filtering approaches, is presented, experimented and discussed. This new filter is developed for large-scale Kalman filtering applications. In the parameter estimation part, three different techniques for parameter estimation in chaotic systems are considered. The methods are studied using the parameterized Lorenz 95 system, which is a benchmark model for data assimilation. In addition, a dilemma related to the uniqueness of weather and climate model closure parameters is discussed. In the data-oriented part of this dissertation, data from the Global Ozone Monitoring by Occultation of Stars (GOMOS) satellite instrument are considered and an alternative algorithm to retrieve atmospheric parameters from the measurements is presented. The validation study presents first global comparisons between two unique satellite-borne datasets of vertical profiles of nitrogen trioxide (NO3), retrieved using GOMOS and Stratospheric Aerosol and Gas Experiment III (SAGE III) satellite instruments. The GOMOS NO3 observations are also considered in a chemical state estimation study in order to retrieve stratospheric temperature profiles. The main result of this dissertation is the consideration of likelihood calculations via Kalman filtering outputs. The concept has previously been used together with stochastic differential equations and in time series analysis. In this work, the concept is applied to chaotic dynamical systems and used together with Markov chain Monte Carlo (MCMC) methods for statistical analysis. In particular, this methodology is advocated for use in numerical weather prediction (NWP) and climate model applications. In addition, the concept is shown to be useful in estimating the filter-specific parameters related, e.g., to model error covariance matrix parameters.

Puolueiden keskustelutilaisuuksista mediatapahtumiksi. Television vaaliohjelmat ja niihin liittynyt sanomalehtijulkisuus 1960-luvulta 1980-luvulle

Tässä tutkimuksessa tarkastellaan television vaaliohjelmia ja niihin liittynyttä sanomalehtijulkisuutta 1960-luvun alusta 1980-luvun lopulle. Tarkastelun kohteena ovat sekä eduskunta- että presidentinvaalien vaaliohjelmat. Tutkimusaineisto koostuu Yleisradion hallinto- ja ohjelmaneuvostojen pöytäkirjoista, vaaliohjelmien televisiotallenteista sekä vaaliohjelmia käsittelevistä sanomalehtikirjoituksista. Lehtiaineisto on kerätty Helsingin Sanomista, Ilta-Sanomista, Iltalehdestä, Aamulehdestä, Kansan Uutisista, Suomenmaasta sekä Suomen Sosialidemokraatista. Sanomalehtiaineistoa on täydennetty Yleisradion leikearkistoon kerätyillä lehtileikkeillä. Tutkimuksessa on analysoitu toisaalta television vaaliohjelmien kehitystä ja toisaalta vaaliohjelmiin liittynyttä sanomalehtikirjoittelua. Television vaaliohjelmien kehityksen osalta tutkimuksessa on kuvattu, millä tavoin vaaliohjelmia on eri aikoina tehty ja millaisia poliittisia kiistoja niiden tekemiseen on liittynyt. Sanomalehtiaineiston analyysissa on tarkasteltu sitä, mihin seikkoihin vaaliohjelmia käsittelevissä kirjoituksissa on kiinnitetty huomiota, millä tavoin lehdet ovat suhtautuneet ohjelmien toteutukseen ja millainen rooli ohjelmilla on nähty olleen vaalikampanjoinnissa. Väitöskirjan näkökulma on historiallinen, mikä merkitsee ajallisten kontekstien keskeisyyttä analyysissa. Tutkimuksessa on kiinnitetty huomiota sekä poliittisessa kulttuurissa että mediamaisemassa tapahtuneisiin muutoksiin. Vaaliohjelmat olivat 1960-luvulla tarkkaan säänneltyjä puolueiden välisiä keskustelutilaisuuksia, joissa toimittajilla ei ollut näkyvää roolia. Ohjelmien toteutuksesta vastasivat puoluemandaateilla toimineet Yleisradion ohjelma- ja hallintoneuvoston jäsenet, joten ohjelmien toteutuksen yksityiskohdista vastasivat puolueet. Puolueet riitelivät usein vaaliohjelmien toteutuksesta, mikä osoittaa, että puolueille television vaaliohjelmat olivat tärkeitä poliittisia foorumeita jo 1960-luvulta lähtien. Vaaliohjelmat jakautuivat kahteen erilaiseen ohjelmaformaattiin; vaalitentteihin ja suureen vaalikeskusteluun. Vaalitenteissä kunkin puolueen edustajat olivat vuorollaan ”altavastaajina”, joille muiden puolueiden edustajat esittivät kysymyksiä. Suuri vaalikeskustelu oli perinteisempi paneelikeskustelu, jossa poliitikot selvittivät vuorotellen kantojaan ajankohtaisiin poliittisin kysymyksiin. 1970-luvun puolivälissä vaalitenttien toteutuksessa tapahtui suuria muutoksia, kun toimittajat syrjäyttivät poliitikot vaalitenttien kyselijöinä. Suuri vaalikeskustelu säilyi ennallaan. Sanomalehtien suhtautuminen vaaliohjelmiin oli 1960- ja 1970-luvuilla huomattavasti pidättyvämpää kuin poliitikkojen. Sanomalehdistön näkökulmasta television vaaliohjelmien tärkeimpänä tehtävänä oli puolueiden poliittisten linjausten esittely. Vaaliohjelmia käsittelevissä teksteissä esiteltiin pääasiassa poliitikkojen ohjelmissa pitämiä puheenvuoroja. Puoluelehdissä puheenvuorojen sisältöä arvioitiin aatteellisista lähtökohdista, sitoutumattomissa sanomalehdissä neutraalimmin. Vaaliohjelmien toteutukseen liittynyt kritiikki kohdistui toisaalta poliitikkojen puoluepropagandaan, toisaalta poliitikkojen liialliseen varovaisuuteen. Sanomalehtien suhtautuminen vaaliohjelmiin säilyi ennallaan myös 1970-luvulla, jolloin vaaliohjelmia alettiin tehdä toimittajavetoisesti. Ainoa muutos liittyi vaaliohjelmakritiikkiin, joka kohdistui nyt poliitikkojen ohella myös toimittajiin, joiden katsottiin olleen ohjelmissa liian hyökkääviä. Suurin muutos vaaliohjelmiin liittyneessä kirjoittelussa tapahtui 1980-luvulla. Vaaliohjelmia käsitteleviä kirjoituksia julkaistiin sanomalehdistössä monikertainen määrä 1970-lukuun verrattuna. Samalla myös vaaliohjelmia käsittelevien kirjoitusten näkökulmat alkoivat muuttua, kun ohjelmin visuaalinen ulottuvuus alkoi olla yhä näkyvämmin esillä sanomalehtiin laadituissa analyyseissa. Lehdet alkoivat teettää säännöllisesti erilaisia tutkimuksia poliitikkojen pärjäämisestä ohjelmissa ja kirjoittaa vaalikeskusteluiden voittajista ja häviäjistä. Lisäksi lehtijutuissa arvioitiin poliitikkojen esiintymistä ja vaaliohjelmista välittyviä vaikutelmia. Vuoden 1982 presidentinvaaleissa uusista näkökulmista kirjoittivat erityisesti iltapäivälehdet, mutta vuosikymmenen jälkipuoliskolla samankaltaisia lähestymistapoja omaksuivat myös Helsingin Sanomat ja Aamulehti. Niiden vaaliohjelmia käsittelevissä uutisissa kiinnitettiin yhä useammin huomiota poliitikkojen esiintymiseen, pukeutumiseen ja tunnetiloihin. Puoluelehtien suhtautuminen vaaliohjelmiin säilyi kuitenkin ennallaan, ja myös vaaliohjelmakritiikki säilyi suurelta osin muuttumattomana. 1980-luvun aikana television vaaliohjelmat muuttuivat lehdistön käsittelyssä puolueiden tavoitteita esittelevistä keskustelutilaisuuksista poliitikkojen ja puolue johtajien henkilökohtaisia ominaisuuksia mittaaviksi esiintymiskokeiksi ja suuriksi mediatapahtumiksi, joiden katsottiin toisinaan jopa ratkaisseen vaalin tuloksen. Nostaessaan television vaaliohjelmat kampanjajournalisminsa ytimeen, sanomalehdet vahvistivat television poliittista roolia.

Magnetic properties of multi-walled nanotubes on polysterene substrate

Nanotubes are one of the most perspective materials in modern nanotechologies. It makes present investigation very actual. In this work magnetic properties of multi-walled nanotubes on polystyrene substrate are investigated by using quantum magnetometer SQUID. Main purpose was to obtain magnetic field and temperature dependences of magnetization and to compare them to existing theoretical models of magnetism in carbon-bases structures. During data analysis a mathematical algorithm for obtained data filtration was developed because measurement with quantum magnetometer assume big missives of number data, which contain accidental errors. Nature of errors is drift of SQUID signal, errors of different parts of measurement station. Nanotube samples on polystyrene substrate were studied with help of atomic force microscope. On the surface traces of nanotube were found contours, which were oriented in horizontal plane. This feature was caused by rolling method for samples. Detailed comparison of obtained dependences with information of other researches on this topic allows to obtain some conclusions about nature of magnetism in the samples. It emphasizes importance and actuality of this scientific work.