The supermassive binary black hole system OJ287

Abstract This doctoral thesis concerns the active galactic nucleus (AGN) most often referred to with the catalogue number OJ287. The publications in the thesis present new discoveries of the system in the context of a supermassive binary black hole model. In addition, the introduction discusses general characteristics of the OJ287 system and the physical fundamentals behind these characteristics. The place of OJ287 in the hierarchy of known types of AGN is also discussed. The introduction presents a large selection of fundamental physics required to have a basic understanding of active galactic nuclei, binary black holes, relativistic jets and accretion disks. Particularly the general relativistic nature of the orbits of close binaries of supermassive black holes is explored with some detail. Analytic estimates of some of the general relativistic effects in such a binary are presented, as well as numerical methods to calculate the effects more precisely. It is also shown how these results can be applied to the OJ287 system. The binary orbit model forms the basis for models of the recurring optical outbursts in the OJ287 system. In the introduction, two physical outburst models are presented in some detail and compared. The radiation hydrodynamics of the outbursts are discussed and optical light curve predictions are derived. The precursor outbursts studied in Paper III are also presented, and tied into the model of OJ287. To complete the discussion of the observable features of OJ287, the nature of the relativistic jets in the system, and in active galactic nuclei in general, is discussed. Basic physics of relativistic jets are presented, with additional detail added in the form of helical jet models. The results of Papers II, IV and V concerning the jet of OJ287 are presented, and their relation to other facets of the binary black hole model is discussed. As a whole, the introduction serves as a guide, though terse, for the physics and numerical methods required to successfully understand and simulate a close binary of supermassive black holes. For this purpose, the introduction necessarily combines a large number of both fundamental and specific results from broad disciplines like general relativity and radiation hydrodynamics. With the material included in the introduction, the publications of the thesis, which present new results with a much narrower focus, can be readily understood. Of the publications, Paper I presents newly discovered optical data points for OJ287, detected on archival astronomical plates from the Harvard College Observatory. These data points show the 1900 outburst of OJ287 for the first time. In addition, new data points covering the 1913 outburst allowed the determination of the start of the outburst with more precision than was possible before. These outbursts were then successfully numerically modelled with an N-body simulation of the OJ287 binary and accretion disc. In Paper II, mechanisms for the spin-up of the secondary black hole in OJ287 via interaction with the primary accretion disc and the magnetic fields in the system are discussed. Timescales for spin-up and alignment via both processes are estimated. It is found that the secondary black hole likely has a high spin. Paper III reports a new outburst of OJ287 in March 2013. The outburst was found to be rather similar to the ones reported in 1993 and 2004. All these outbursts happened just before the main outburst season, and are called precursor outbursts. In this paper, a mechanism was proposed for the precursor outbursts, where the secondary black hole collides with a gas cloud in the primary accretion disc corona. From this, estimates of brightness and timescales for the precursor were derived, as well as a prediction of the timing of the next precursor outburst. In Paper IV, observations from the 2004–2006 OJ287 observing program are used to investigate the existence of short periodicities in OJ287. The existence of a _50 day quasiperiodic component is confirmed. In addition, statistically significant 250 day and 3.5 day periods are found. Primary black hole accretion of a spiral density wave in the accretion disc is proposed as the source of the 50 day period, with numerical simulations supporting these results. Lorentz contracted jet re-emission is then proposed as the reason for the 3.5 day timescale. Paper V fits optical observations and mm and cm radio observations of OJ287 with a helical jet model. The jet is found to have a spine–sheath structure, with the sheath having a much lower Lorentz gamma factor than the spine. The sheath opening angle and Lorentz factor, as well as the helical wavelength of the jet are reported for the first time. Tiivistelmä Tässä väitöskirjatutkimuksessa on keskitytty tutkimaan aktiivista galaksiydintä OJ287. Väitöskirjan osana olevat tieteelliset julkaisut esittelevät OJ287-systeemistä saatuja uusia tuloksia kaksoismusta-aukkomallin kontekstissa. Väitöskirjan johdannossa käsitellään OJ287:n yleisiä ominaisuuksia ja niitä fysikaalisia perusilmiöitä, jotka näiden ominaisuuksien taustalla vaikuttavat. Johdanto selvittää myös OJ287-järjestelmän sijoittumisen aktiivisten galaksiytimien hierarkiassa. Johdannossa käydään läpi joitakin perusfysiikan tuloksia, jotka ovat tarpeen aktiivisten galaksiydinten, mustien aukkojen binäärien, relativististen suihkujen ja kertymäkiekkojen ymmärtämiseksi. Kahden toisiaan kiertävän mustan aukon keskinäisen radan suhteellisuusteoreettiset perusteet käydään läpi yksityiskohtaisemmin. Johdannossa esitetään joitakin analyyttisiä tuloksia tällaisessa binäärissä havaittavista suhteellisuusteoreettisista ilmiöistä. Myös numeerisia menetelmiä näiden ilmiöiden tarkempaan laskemiseen esitellään. Tuloksia sovelletaan OJ287-systeemiin, ja verrataan havaintoihin. OJ287:n mustien aukkojen ratamalli muodostaa pohjan systeemin toistuvien optisten purkausten malleille. Johdannossa esitellään yksityiskohtaisemmin kaksi fysikaalista purkausmallia, ja vertaillaan niitä. Purkausten säteilyhydrodynamiikka käydään läpi, ja myös ennusteet purkausten valokäyrille johdetaan. Johdannossa esitellään myös Julkaisussa III johdettu prekursoripurkausten malli, ja osoitetaan sen sopivan yhteen OJ287:n binäärimallin kanssa. Johdanto esittelee myös relativististen suihkujen fysiikkaa sekä OJ287- systeemiin liittyen että aktiivisten galaksiydinten kontekstissa yleisesti. Relativististen suihkujen perusfysiikka esitellään, kuten myös malleja kierteisistä suihkuista. Julkaisujen II, IV ja V OJ287-systeemin suihkuja koskevat tulokset esitellään binäärimallin kontekstissa. Kokonaisuutena johdanto palvelee suppeana oppaana, joka esittelee tarvittavan fysiikan ja tarpeelliset numeeriset menetelmät mustien aukkojen binäärijärjestelmän ymmärtämiseen ja simulointiin. Tätä tarkoitusta varten johdanto yhdistää sekä perustuloksia että joitakin syvällisempiä tuloksia laajoilta fysiikan osa-alueilta kuten suhteellisuusteoriasta ja säteilyhydrodynamiikasta. Johdannon sisältämän materiaalin avulla väitöskirjan julkaisut, ja niiden esittämät tulokset, ovat hyvin ymmärrettävissä. Väitöskirjan julkaisuista ensimmäinen esittelee uusia OJ287-systeemistä saatuja havaintopisteitä, jotka on paikallistettu Harvardin yliopiston observatorion arkiston valokuvauslevyiltä. OJ287:n vuonna 1900 tapahtunut purkaus nähdään ensimmäistä kertaa näissä havaintopisteissä. Uudet havaintopisteet mahdollistivat myös vuoden 1913 purkauksen alun ajoittamisen tarkemmin kuin aiemmin oli mahdollista. Havaitut purkaukset mallinnettiin onnistuneesti simuloimalla OJ287-järjestelmän mustien aukkojen paria ja kertymäkiekkoa. Julkaisussa II käsitellään mekanismeja OJ287:n sekundäärisen mustan aukon spinin kasvamiseen vuorovaikutuksessa primäärin kertymäkiekon ja systeemin magneettikenttien kanssa. Julkaisussa arvioidaan maksimispinin saavuttamisen ja spinin suunnan vakiintumisen aikaskaalat kummallakin mekanismilla. Tutkimuksessa havaitaan sekundäärin spinin olevan todennäköisesti suuri. Julkaisu III esittelee OJ287-systeemissä maaliskuussa 2013 tapahtuneen purkauksen. Purkauksen havaittiin muistuttavan vuosina 1993 ja 2004 tapahtuneita purkauksia, joita kutsutaan yhteisnimityksellä prekursoripurkaus (precursor outburst). Julkaisussa esitellään purkauksen synnylle mekanismi, jossa OJ287-systeemin sekundäärinen musta aukko osuu primäärisen mustan aukon kertymäkiekon koronassa olevaan kaasupilveen. Mekanismin avulla johdetaan arviot prekursoripurkausten kirkkaudelle ja aikaskaalalle. Julkaisussa johdetaan myös ennuste seuraavan prekursoripurkauksen ajankohdalle. Julkaisussa IV käytetään vuosina 2004–2006 kerättyjä havaintoja OJ287- systeemistä lyhyiden jaksollisuuksien etsintään. Julkaisussa varmennetaan systeemissä esiintyvä n. 50 päivän kvasiperiodisuus. Lisäksi tilastollisesti merkittävät 250 päivän ja 3,5 päivän jaksollisuudet havaitaan. Julkaisussa esitetään malli, jossa primäärisen mustan aukon kertymäkiekossa oleva spiraalitiheysaalto aiheuttaa 50 päivän jaksollisuuden. Mallista tehty numeerinen simulaatio tukee tulosta. Systeemin relativistisen suihkun emittoima aikadilatoitunut säteily esitetään aiheuttajaksi 3,5 päivän jaksollisuusaikaskaalalle. Julkaisussa V sovitetaan kierresuihkumalli OJ287-systeemistä tehtyihin optisiin havaintoihin ja millimetri- sekä senttimetriaallonpituuden radiohavaintoihin. Suihkun rakenteen havaitaan olevan kaksijakoinen ja koostuvan ytimestä ja kuoresta. Suihkun kuorella on merkittävästi pienempi Lorentzin gamma-tekijä kuin suihkun ytimellä. Kuoren avautumiskulma ja Lorentztekijä sekä suihkun kierteen aallonpituus raportoidaan julkaisussa ensimmäistä kertaa.

Quantum transport phenomena and shallow impurity states in CdSb

This work is dedicated to investigation of the energy spectrum of one of the most anisotropic narrow-gap semiconductors, CdSb. At the beginning of the present studies even the model of its energy band structure was not clear. Measurements of galvanomagnetic effects in wide temperature range (1.6 - 300 K) and in magnetic fields up to 30 T were chosen for clarifying of the energy spectrum in the intentionally undoped CdSb single crystals and doped with shallow impurities (In, Ag). Detection of the Shubnikov - de Haas oscillations allowed estimating the fundamental energy spectrum parameters. The shapes of the Fermi surfaces of electrons (sphere) and holes (ellipsoid), the number of the equivalent extremums for valence band (2) and their positions in the Brillouin zone were determined for the first time in this work. Also anisotropy coefficients, components of the tensor of effective masses of carriers, effective masses of density of states, nonparabolicity of the conduction and valence bands, g-factor and its anisotropy for n- and p-CdSb were estimated for the first time during these studies. All the results obtained are compared with the cyclotron resonance data and the corresponding theoretical calculations for p-CdSb. This is basic information for the analyses of the complex transport properties of CdSb and for working out the energy spectrum model of the shallow energy levels of defects and impurities in this semiconductor. It was found out existence of different mechanisms of hopping conductivity in the presence of metal - insulator transition induced by magnetic field in n- and p-CdSb. Quite unusual feature opened in CdSb is that different types of hopping conductivity may take place in the same crystal depending on temperature, magnetic field or even orientation of crystal in magnetic field. Transport properties of undoped p-CdSb samples show that the anisotropy of the resistivity in weak and strong magnetic fields is determined completely by the anisotropy of the effective mass of the holes. Temperature and magnetic field dependence of the Hall coefficient and magnetoresistance is attributed to presence of two groups of holes with different concentrations and mobilities. The analysis demonstrates that below Tcr ~ 20 K and down to ~ 6 - 7 K the low-mobile carriers are itinerant holes with energy E2 ≈ 6 meV. The high-mobile carriers, at all temperatures T < Tcr, are holes activated thermally from a deeper acceptor band to itinerant states of a shallower acceptor band with energy E1 ≈ 3 meV. Analysis of temperature dependences of mobilities confirms the existence of the heavy-hole band or a non-equivalent maximum and two equivalent maxima of the light-hole valence band. Galvanomagnetic effects in n-CdSb reveal the existence of two groups of carriers. These are the electrons of a single minimum in isotropic conduction band and the itinerant electrons of the narrow impurity band, having at low temperatures the energies above the bottom of the conduction band. It is found that above this impurity band exists second impurity band of only localized states and the energy of both impurity bands depend on temperature so that they sink into the band gap when temperature is increased. The bands are splitted by the spin, and in strong magnetic fields the energy difference between them decreases and redistribution of the electrons between the two impurity bands takes place. Mobility of the conduction band carriers demonstrates that scattering in n-CdSb at low temperatures is strongly anisotropic. This is because of domination from scattering on the neutral impurity centers and increasing of the contribution to mobility from scattering by acoustic phonons when temperature increases. Metallic conductivity in zero or weak magnetic field is changed to activated conductivity with increasing of magnetic field. This exhibits a metal-insulator transition (MIT) induced by the magnetic field due to shift of the Fermi level from the interval of extended states to that of the localized states of the electron spectrum near the edge of the conduction band. The Mott variablerange hopping conductivity is observed in the low- and high-field intervals on the insulating side of the MIT. The results yield information about the density of states, the localization radius of the resonant impurity band with completely localized states and about the donor band. In high magnetic fields this band is separated from the conduction band and lies below the resonant impurity bands.

Magnetic Resonance Experiments with Atomic Hydrogen

In this thesis three experiments with atomic hydrogen (H) at low temperatures T<1 K are presented. Experiments were carried out with two- (2D) and three-dimensional (3D) H gas, and with H atoms trapped in solid H2 matrix. The main focus of this work is on interatomic interactions, which have certain specific features in these three systems considered. A common feature is the very high density of atomic hydrogen, the systems are close to quantum degeneracy. Short range interactions in collisions between atoms are important in gaseous H. The system of H in H₂ differ dramatically because atoms remain fixed in the H₂ lattice and properties are governed by long-range interactions with the solid matrix and with H atoms. The main tools in our studies were the methods of magnetic resonance, with electron spin resonance (ESR) at 128 GHz being used as the principal detection method. For the first time in experiments with H in high magnetic fields and at low temperatures we combined ESR and NMR to perform electron-nuclear double resonance (ENDOR) as well as coherent two-photon spectroscopy. This allowed to distinguish between different types of interactions in the magnetic resonance spectra. Experiments with 2D H gas utilized the thermal compression method in homogeneous magnetic field, developed in our laboratory. In this work methods were developed for direct studies of 3D H at high density, and for creating high density samples of H in H₂. We measured magnetic resonance line shifts due to collisions in the 2D and 3D H gases. First we observed that the cold collision shift in 2D H gas composed of atoms in a single hyperfine state is much smaller than predicted by the mean-field theory. This motivated us to carry out similar experiments with 3D H. In 3D H the cold collision shift was found to be an order of magnitude smaller for atoms in a single hyperfine state than that for a mixture of atoms in two different hyperfine states. The collisional shifts were found to be in fair agreement with the theory, which takes into account symmetrization of the wave functions of the colliding atoms. The origin of the small shift in the 2D H composed of single hyperfine state atoms is not yet understood. The measurement of the shift in 3D H provides experimental determination for the difference of the scattering lengths of ground state atoms. The experiment with H atoms captured in H2 matrix at temperatures below 1 K originated from our work with H gas. We found out that samples of H in H2 were formed during recombination of gas phase H, enabling sample preparation at temperatures below 0.5 K. Alternatively, we created the samples by electron impact dissociation of H₂ molecules in situ in the solid. By the latter method we reached highest densities of H atoms reported so far, 3.5(5)x10¹⁹ cm^-3. The H atoms were found to be stable for weeks at temperatures below 0.5 K. The observation of dipolar interaction effects provides a verification for the density measurement. Our results point to two different sites for H atoms in H2 lattice. The steady-state nuclear polarizations of the atoms were found to be non-thermal. The possibility for further increase of the impurity H density is considered. At higher densities and lower temperatures it might be possible to observe phenomena related to quantum degeneracy in solid.

Convergence and divergence in global economy and social development : global perspectives on the contents of economic and soical development policy and its effects on rich and poor countries

The study of convergence and divergence in global economy and social development utilises comparative indicators to investigate the contents of economic and social development policy and their effects on the global samples that represent the rich industrial, semi-industrial and the poor developing nations. The study searchesfor answers to questions such as "what are the objectives of economic growth policies in globalisation under the imperatives of convergence and divergence, and how do these affect human well-being in consideration to the objectives of social policy in various nations?" The empirical verification of data utilises the concepts of the `logic of industrialism´ for comparative analysis that focuses mainly on identifying the levels of well-being in world nations after the Second World War. The perspectives of convergence and divergence in global economy and social development critically examine the stages of early development processes in global economy, distinguish the differences between economy and social development, illustrate the contents of economic and social development policies, their effects on rich and poor countries, and the nature of convergence and divergence in propelling economic growth and unequal social development in world nations. The measurement of convergence and divergence in global economy and social development utilised both economic and social data that were combined into an index that measures the precise levels of the effects of economic and social development policies on human well-being in the rich and poor nations. The task of finding policy solutions to resolve the controversies are reviewed through empirical investigations and the analyses of trends indicated within economic and social indicators and data. These revealed how the adoption of social policy measures in translating the gains from economic growth, towards promoting education, public health, and equity, generate social progress and longer life expectancy, higher economic growth, and sustain more stable macro economy for the nations. Social policy is concerned with the translation of benefits from objectives of global economic growth policies, to objectives of social development policy in nation states. Social policy, therefore, represents an open door whereby benefits of economic growth policies are linked with the broader objectives of social development policy, thereby enhancing the possibility of extending benefits from economic growth to all human being in every nation.

A cell spot microarray method for high-throughput biology

High-throughput screening of cellular effects of RNA interference (RNAi) libraries is now being increasingly applied to explore the role of genes in specific cell biological processes and disease states. However, the technology is still limited to specialty laboratories, due to the requirements for robotic infrastructure, access to expensive reagent libraries, expertise in high-throughput screening assay development, standardization, data analysis and applications. In the future, alternative screening platforms will be required to expand functional large-scale experiments to include more RNAi constructs, allow combinatorial loss-of-function analyses (e.g. genegene or gene-drug interaction), gain-of-function screens, multi-parametric phenotypic readouts or comparative analysis of many different cell types. Such comprehensive perturbation of gene networks in cells will require a major increase in the flexibility of the screening platforms, throughput and reduction of costs. As an alternative for the conventional multi-well based high-throughput screening -platforms, here the development of a novel cell spot microarray method for production of high density siRNA reverse transfection arrays is described. The cell spot microarray platform is distinguished from the majority of other transfection cell microarray techniques by the spatially confined array layout that allow highly parallel screening of large-scale RNAi reagent libraries with assays otherwise difficult or not applicable to high-throughput screening. This study depicts the development of the cell spot microarray method along with biological application examples of high-content immunofluorescence and phenotype based cancer cell biological analyses focusing on the regulation of prostate cancer cell growth, maintenance of genomic integrity in breast cancer cells, and functional analysis of integrin protein-protein interactions in situ.

Combustion properties of biomass residues rich in phosphorus

Tillgången på traditionella biobränslen är begränsad och därför behöver man ta fram nya, tidigare outnyttjade biobränslen för att möta de uppställda CO2 emissionsmålen av EU och det ständigt ökande energibehovet. Under de senare åren har intresset riktats mot termisk energiutvinning ur olika restfraktioner och avfall. Vid produktion av fordonsbränsle ur biomassa är den fasta restprodukten ofta den största procesströmmen i produktionsanläggningen. En riktig hantering av restprodukterna skulle göra produktionen mera lönsam och mer ekologiskt hållbar. Ett alternativ är att genom förbränning producera elektricitet och/eller värme eftersom dessa restprodukter anses som CO2-neutrala. Målsättningen med den här avhandlingen var att studera förbränningsegenskaperna hos några fasta restprodukter som uppstår vid framställning av förnybara fordonsbränslen. De fyra undersökta materialen är rapskaka, palmkärnskaka, torkad drank och stabiliserat rötslam. I studien används ett stort urval av undersökningsmetoder, från laboratorieskala till fullskalig förbränning, för att identifiera de huvudsakliga utmaningarna förknippade med förbränning av restprodukterna i pannor med fluidiserad bäddteknik. Med hjälp av detaljerad bränslekarakterisering kunde restprodukterna konstateras vara en värdefull källa för värme- och elproduktion. Den kemiska sammansättningen av restprodukterna varierar stort jämfört med mera traditionellt använda biobränslen. En gemensam faktor för alla de studerade restprodukterna är en hög fosforhalt. På grund av de låga fosforkoncentrationerna i de traditionella biobränslena har grundämnet hittills inte ansetts spela någon större roll i askkemin. Experimenten visade nu att fosfor inte mera kan försummas då man studerar kemin i förbränningsprocesser, då allt flera fosforrika bränslen tränger in på energimarknaden.

Element speciation and behaviour in metal-rich Boreal river and estuarine systems using ultrafiltration and chemical modelling

The bioavailability of metals and their potential for environmental pollution depends not simply on total concentrations, but is to a great extent determined by their chemical form. Consequently, knowledge of aqueous metal species is essential in investigating potential metal toxicity and mobility. The overall aim of this thesis is, thus, to determine the species of major and trace elements and the size distribution among the different forms (e.g. ions, molecules and mineral particles) in selected metal-enriched Boreal river and estuarine systems by utilising filtration techniques and geochemical modelling. On the basis of the spatial physicochemical patterns found, the fractionation and complexation processes of elements (mainly related to input of humic matter and pH-change) were examined. Dissolved (<1 kDa), colloidal (1 kDa-0.45 μm) and particulate (>0.45 μm) size fractions of sulfate, organic carbon (OC) and 44 metals/metalloids were investigated in the extremely acidic Vörå River system and its estuary in W Finland, and in four river systems in SW Finland (Sirppujoki, Laajoki, Mynäjoki and Paimionjoki), largely affected by soil erosion and acid sulfate (AS) soils. In addition, geochemical modelling was used to predict the formation of free ions and complexes in these investigated waters. One of the most important findings of this study is that the very large amounts of metals known to be released from AS soils (including Al, Ca, Cd, Co, Cu, Mg, Mn, Na, Ni, Si, U and the lanthanoids) occur and can prevail mainly in toxic forms throughout acidic river systems; as free ions and/or sulfate-complexes. This has serious effects on the biota and especially dissolved Al is expected to have acute effects on fish and other organisms, but also other potentially toxic dissolved elements (e.g. Cd, Cu, Mn and Ni) can have fatal effects on the biota in these environments. In upstream areas that are generally relatively forested (higher pH and contents of OC) fewer bioavailable elements (including Al, Cu, Ni and U) may be found due to complexation with the more abundantly occurring colloidal OC. In the rivers in SW Finland total metal concentrations were relatively high, but most of the elements occurred largely in a colloidal or particulate form and even elements expected to be very soluble (Ca, K, Mg, Na and Sr) occurred to a large extent in colloidal form. According to geochemical modelling, these patterns may only to a limited extent be explained by in-stream metal complexation/adsorption. Instead there were strong indications that the high metal concentrations and dominant solid fractions were largely caused by erosion of metal bearing phyllosilicates. A strong influence of AS soils, known to exist in the catchment, could be clearly distinguished in the Sirppujoki River as it had very high concentrations of a metal sequence typical of AS soils in a dissolved form (Ba, Br, Ca, Cd, Co, K, Mg, Mn, Na, Ni, Rb and Sr). In the Paimionjoki River, metal concentrations (including Ba, Cs, Fe, Hf, Pb, Rb, Si, Th, Ti, Tl and V; not typical of AS soils in the area) were high, but it was found that the main cause of this was erosion of metal bearing phyllosilicates and thus these metals occurred dominantly in less toxic colloidal and particulate fractions. In the two nearby rivers (Laajoki and Mynäjoki) there was influence of AS soils, but it was largely masked by eroded phyllosilicates. Consequently, rivers draining clay plains sensitive to erosion, like those in SW Finland, have generally high background metal concentrations due to erosion. Thus, relying on only semi-dissolved (<0.45 μm) concentrations obtained in routine monitoring, or geochemical modelling based on such data, can lead to a great overestimation of the water toxicity in this environment. The potentially toxic elements that are of concern in AS soil areas will ultimately be precipitated in the recipient estuary or sea, where the acidic metalrich river water will gradually be diluted/neutralised with brackish seawater. Along such a rising pH gradient Al, Cu and U will precipitate first together with organic matter closest to the river mouth. Manganese is relatively persistent in solution and, thus, precipitates further down the estuary as Mn oxides together with elements such as Ba, Cd, Co, Cu and Ni. Iron oxides, on the contrary, are not important scavengers of metals in the estuary, they are predicted to be associated only with As and PO4.

Manifestation of the pairing symmetry in the vortex core structure in iron-based superconductors

The superconducting gap is a basic character of a superconductor. While the cuprates and conventional phonon-mediated superconductors are characterized by distinct d- and s-wave pairing symmetries with nodal and nodeless gap distributions respectively, the superconducting gap distributions in iron-based superconductors are rather diversified. While nodeless gap distributions have been directly observed in Ba1–xKxFe2As2, BaFe2–xCoxAs2, LiFeAs, KxFe2–ySe2, and FeTe1–xSex, the signatures of a nodal superconducting gap have been reported in LaOFeP, LiFeP, FeSe, KFe2As2, BaFe2–xRuxAs2, and BaFe2(As1–xPx)2. Due to the multiplicity of the Fermi surface in these compounds s± and d pairing states can be both nodeless and nodal. A nontrivial orbital structure of the order parameter, in particular the presence of the gap nodes, leads to effects in which the disorder is much richer in dx2–y2-wave superconductors than in conventional materials. In contrast to the s-wave case, the Anderson theorem does not work, and nonmagnetic impurities exhibit a strong pair-breaking influence. In addition, a finite concentration of disorder produces a nonzero density of quasiparticle states at zero energy, which results in a considerable modification of the thermodynamic and transport properties at low temperatures. The influence of order parameter symmetry on the vortex core structure in iron-based pnictide and chalcogenide superconductors has been investigated in the framework of quasiclassical Eilenberger equations. The main results of the thesis are as follows. The vortex core characteristics, such as, cutoff parameter, ξh, and core size, ξ2, determined as the distance at which density of the vortex supercurrent reaches its maximum, are calculated in wide temperature, impurity scattering rate, and magnetic field ranges. The cutoff parameter, ξh(B; T; Г), determines the form factor of the flux-line lattice, which can be obtained in _SR, NMR, and SANS experiments. A comparison among the applied pairing symmetries is done. In contrast to s-wave systems, in dx2–y2-wave superconductors, ξh/ξc2 always increases with the scattering rate Г. Field dependence of the cutoff parameter affects strongly on the second moment of the magnetic field distributions, resulting in a significant difference with nonlocal London theory. It is found that normalized ξ2/ξc2(B/Bc2) dependence is increasing with pair-breaking impurity scattering (interband scattering for s±-wave and intraband impurity scattering for d-wave superconductors). Here, ξc2 is the Ginzburg-Landau coherence length determined from the upper critical field Bc2 = Φ0/2πξ2 c2, where Φ0 is a flux quantum. Two types of ξ2/ξc2 magnetic field dependences are obtained for s± superconductors. It has a minimum at low temperatures and small impurity scattering transforming in monotonously decreasing function at strong scattering and high temperatures. The second kind of this dependence has been also found for d-wave superconductors at intermediate and high temperatures. In contrast, impurity scattering results in decreasing of ξ2/ξc2(B/Bc2) dependence in s++ superconductors. A reasonable agreement between calculated ξh/ξc2 values and those obtained experimentally in nonstoichiometric BaFe2–xCoxAs2 (μSR) and stoichiometric LiFeAs (SANS) was found. The values of ξh/ξc2 are much less than one in case of the first compound and much more than one for the other compound. This is explained by different influence of two factors: the value of impurity scattering rate and pairing symmetry.

SobekCM’s Community Ecosystems & Socio-Technical Practices

Presentation at Open Repositories 2014, Helsinki, Finland, June 9-13, 2014

Resonant tunneling effects in semiconductor heterostructures

The thesis is devoted to a theoretical study of resonant tunneling phenomena in semiconductor heterostructures and nanostructures. It considers several problems relevant to modern solid state physics. Namely these are tunneling between 2D electron layers with spin-orbit interaction, tunnel injection into molecular solid material, resonant tunnel coupling of a bound state with continuum and resonant indirect exchange interaction mediated by a remote conducting channel. A manifestation of spin-orbit interaction in the tunneling between two 2D electron layers is considered. General expression is obtained for the tunneling current with account of Rashba and Dresselhaus types of spin-orbit interaction and elastic scattering. It is demonstrated that the tunneling conductance is very sensitive to relation between Rashba and Dresselhaus contributions and opens possibility to determine the spin-orbit interaction parameters and electron quantum lifetime in direct tunneling experiments with no external magnetic field applied. A microscopic mechanism of hole injection from metallic electrode into organic molecular solid (OMS) in high electric field is proposed for the case when the molecules ionization energy exceeds work function of the metal. It is shown that the main contribution to the injection current comes from direct isoenergetic transitions from localized states in OMS to empty states in the metal. Strong dependence of the injection current on applied voltage originates from variation of the number of empty states available in the metal rather than from distortion of the interface barrier. A theory of tunnel coupling between an impurity bound state and the 2D delocalized states in the quantum well (QW) is developed. The problem is formulated in terms of Anderson-Fano model as configuration interaction between the carrier bound state at the impurity and the continuum of delocalized states in the QW. An effect of this interaction on the interband optical transitions in the QW is analyzed. The results are discussed regarding the series of experiments on the GaAs structures with a -Mn layer. A new mechanism of ferromagnetism in diluted magnetic semiconductor heterosructures is considered, namely the resonant enhancement of indirect exchange interaction between paramagnetic centers via a spatially separated conducting channel. The underlying physical model is similar to the Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY) interaction; however, an important difference relevant to the low-dimensional structures is a resonant hybridization of a bound state at the paramagnetic ion with the continuum of delocalized states in the conducting channel. An approach is developed, which unlike RKKY is not based on the perturbation theory and demonstrates that the resonant hybridization leads to a strong enhancement of the indirect exchange. This finding is discussed in the context of the known experimental data supporting the phenomenon.

Suomen mahdollisuudet vaikuttaa Euroopan unionin lainsäädäntömenettelyyn

Väitöstutkimuksen kohteena on säädösten valmistelu ja niitä koskevaa päätöksenteko Euroopan unionissa erityisesti siitä näkökulmasta, miten Suomen kaltainen pieni jäsenvaltio voi vaikuttaa EU-säädöksiin. Väitöskirjassa analysoidaan unionin toimielinten välillä vallitsevaa dynamiikkaa ja Suomen asemaa erityisesti EUT-sopimuksen 289 artiklan 1 kohdan ja 294 artiklan mukaisessa tavallisessa lainsäätämisjärjestyksessä. Lissabonin sopimuksen voimaantulon jälkeen tavallinen lainsäätämisjärjestys, joka aiemmin tunnettiin yhteispäätösmenettelynä, on selvästi yleisin lainsäädäntömenettely unionissa. Väitöskirja koostuu kuudesta erillisjulkaistusta pääosin vertaisarvioidusta artikkelista ja niitä täydentävästä ja kokoavasta yhteenveto-osasta. Kirjan tämä painos sisältää vain yhteenvetoluvun, ei erikseen julkaistuja artikkeleita. Väitöskirjassa hyödynnetään eurooppaoikeuden ja politiikan tutkimuksen kirjallisuutta. Metodologisesti väitöstutkimus edustaa empiiristä oikeustutkimusta, jossa yhdistyy lainopillinen analyysi ja empiiristen, tässä tapauksessa lähinnä laadullisten aineistojen analyysi. Yhteenvedossa on seurattu lainsäädäntömuutoksia ja oikeuskäytäntöä 10. huhtikuuta 2015 asti. Väitöskirjatutkimuksen kantavana teemana on oikeuden ja politiikan suhde EUlainsäätämisessä. Artikkeleita ja yhteenvetoa sitovat yhteen kaksi yleisen tason argumenttia. Ensiksi, EU:n lainsäädäntömenettelyä koskevat oikeussäännöt ja institutionalisoituneet käytännöt luovat kehikon toimielinten sisäiselle päätöksenteolle sekä niiden välisille poliittisluonteisille neuvotteluille, vaikkakaan sääntöihin ja käytäntöihin ei yleensä ole tarvetta nimenomaisesti vedota menettelyn kuluessa. Toiseksi, koska Suomen kaltaisen pienen jäsenvaltion muodollinen valta – siis äänimäärä neuvostossa – on hyvin rajallinen, suomalaisten ministerien ja virkamiesten tulisi hyödyntää erilaisia epävirallisia vaikuttamiskanavia, jos halutaan vahvistaa Suomen tosiasiallista vaikutusvaltaa menettelyssä. Unionin lainsäädäntötoiminta ei tyypillisesti ole rationaalisen mallin mukaan etenevää päätöksentekoa, vaan tempoilevaa ja vaikeasti ennakoitavaa kamppailua eri preferenssejä edustavien toimijoiden välillä. Väitöskirjan ensimmäisessä artikkelissa analysoidaan säädösvalmistelua ja lainsäätämismenettelyä unionissa vaihe vaiheelta. Johtopäätöksenä todetaan, että unioniin on syntynyt yhteispäätösmenettelyn, sittemmin tavallisen lainsäätämisjärjestyksen myötä uudenlainen lainsäätämiskulttuuri, jolle on leimallista tiiviit yhteydet komission, Euroopan parlamentin ja neuvoston välillä. Toimielimet ottavat nykyisin joustavasti huomioon toistensa kantoja menettelyn edetessä, mikä mahdollistaa sen, että valtaosa EU-säädöksistä voidaan hyväksyä jo ensimmäisessä käsittelyssä. Toisessa tutkimusartikkelissa analysoidaan komission asemaa unionin toimielinrakenteessa. Artikkelissa tarkastellaan komission aloiteoikeutta sekä komission puheenjohtajan ja sen jäsenten valintamenettelyjä siitä näkökulmasta, edistääkö komissio todella unionin yleistä etua itsenäisenä ja riippumattomana, kuten EU-sopimuksen 17 artiklassa edellytetään. Tiettyjen järjestelyjen myötä Euroopan parlamentin ja komission suhde on kehittynyt siihen suuntaan, että komissio toimii jossain määrin parlamentille vastuunalaisena hallituksena. Artikkelissa kritisoidaan, että kehitys ei välttämättä lähennä kansalaisia unionin toimielimiin ja että kehitys omiaan vaarantamaan komission aseman verrattain riippumattomana välittäjänä trilogeissa. Kolmas artikkeli sisältää tapaustutkimuksen kuluttajille myönnettäviä luottoja sääntelevän direktiivin (2008/48/EY) valmisteluvaiheista. Tapaustutkimus konkretisoi Suomen hallituksen edustajien tekemän EU-vaikuttamisen keinoja, vahvuuksia ja kehittämiskohteita. Artikkelissa todetaan, että Suomelle aivan keskeinen vaikuttamisresurssi ovat sellaiset virkamiehet, jotka hallitsevat niin käsiteltävän säädöshankkeen sisältökysymykset kuin unionin päätöksentekomenettelyt ja toimielinten institutionalisoituneet käytännöt. Artikkelissa tehdyt empiiriset havainnot jäsenvaltioiden välillä käydyistä neuvotteluista tukevat konstruktiivisen mallin perusoletuksia. Neljännessä artikkelissa, joka on laadittu yhteistyönä professori Tapio Raunion kanssa, analysoidaan unioniasioiden kansallista valmistelua ja tarkemmin ottaen sitä, miten Suomen neuvottelukannat muotoutuvat valtioneuvoston yhteensovittamisjärjestelmän ylimmällä tasolla EU-ministerivaliokunnassa. Artikkelissa todetaan laajan pöytäkirja-aineiston ja sitä täydentävän haastatteluaineiston pohjalta, että EUministerivaliokunnan asialistan laadinta on delegoitu kokonaisuudessaan asiantuntijavirkamiehille. Lisäksi asialistan muotoutumiseen vaikuttaa luonnollisesti unionin toimielinten, erityisesti Eurooppa-neuvoston agenda. Toisaalta, EU-ministerivaliokunnan kokouksissa ministerit yksin tekevät päätöksiä ja linjaavat Suomen EU-politiikkaa. Viidennessä artikkelissa selvitetään, miten olisi toimittava, jos pyritään siihen, että uusi tai muutettu EU-säädös vastaisi mahdollisimman pitkälti Suomen kansallisesti määriteltyä neuvottelukantaa. Tehokkainta on vaikuttaa aloiteoikeutta lainsäädäntömenettelyssä käyttävään komissioon, tarvittaessa myös virkahierarkian ylimmillä tasoilla, sekä tehdä yhteistyötä muiden jäsenvaltioiden kanssa, erityisesti puheenjohtajavaltion, tulevien puheenjohtajavaltioiden ja suurten jäsenvaltioiden kanssa. Mikäli käsittelyssä oleva EU-säädöshanke arvioidaan kansallisesti erityisen tärkeiksi tai ongelmalliseksi, tulisi vaikuttamistoimia laajentaa kattamaan myös Euroopan parlamentin avainhenkilöitä. Kuudennessa artikkelissa analysoidaan suomalaisen kansalaisyhteiskunnan ja etujärjestöjen vaikutusmahdollisuuksia EU-asioiden valmistelussa. Johtopäätöksenä todetaan, että muodollinen yhteensovittaminen EU-valmistelujaostojen laajan kokoonpanon kokouksissa ei ole sidosryhmille ensisijainen eikä tehokkain vaikuttamisen keino. Sen sijaan korostuvat epäviralliset yhteydet toimivaltaisen ministeriön vastuuvirkamieheen kotimaassa ja vaikuttaminen eurooppalaisen kattojärjestön välityksellä. Väitöskirjan yhteenveto-osassa on eritelty, missä EU:n säädösvalmistelun ja lainsäätämismenettelyn vaiheissa Suomen kaltaisella pienellä jäsenvaltiolla on parhaat edellytykset vaikuttaa valmisteltavana olevaan säädökseen. Parhaat vaikutusmahdollisuudet ovat aivan EU-säädöksen elinkaaren alkuvaiheessa, kun komissio on vasta käynnistämässä uutta säädösvalmistelua. Väitöstutkimuksessa todetaan, että varhaista kannanmuodostusta ja sen mahdollistamaa ennakkovaikuttamista on Suomessa kyetty kehittämään etenkin niissä poliittisesti, taloudellisesti tai oikeudellisesti tärkeissä hankkeissa, joissa hallituksen kannanmuodostus tapahtuu EU-ministerivaliokunnassa. Muissa unionin säädöshankkeissa ennakollisen vaikuttamisen intensiteetti näyttäisi vaihtelevan, riippuen muun muassa toimivaltaisen ministeriön keskijohdon ja ylimmän johdon sitoutumisesta. Toinen Suomelle otollinen vaikuttamisen ajankohta on silloin, kun komission antamaa ehdotusta käsitellään asiantuntijavirkamiesten kesken neuvoston työryhmässä. Tehokas vaikuttaminen edellyttää, että Suomea neuvotteluissa edustavat henkilöt kokoavat ”samanmielisistä” jäsenvaltioista kaksoisenemmistösäännön mukaisen voittavan koalition. Viimeinen vaikuttamisen ikkuna aukeaa silloin, kun Coreper-komiteassa laaditaan neuvoston puheenjohtajalle neuvottelumandaattia toimielinten välisiin trilogeihin tavallisen lainsäätämisjärjestyksen ensimmäisessä käsittelyssä. Tässä varsin myöhäisessä menettelyvaiheessa vaikuttaminen on pienen jäsenvaltion näkökulmasta jo selvästi vaikeampaa. Väitöskirja sijoittuu luontevasti osaksi valtiotieteellistä eurooppalaistumis-kirjallisuutta siltä osin, kuin siinä on tutkittu EU-jäsenyyden vaikutuksia kotimaisiin hallinnon rakenteisiin ja politiikan asialistaan. Kuten tunnettua, Suomen EU-politiikka rakentuu eduskunnalle vastuullisen valtioneuvoston varaan. Väitöskirjassa ei kuitenkaan ole otettu erityiseen tarkasteluun perustuslakiin sidottua eduskunnan ja hallituksen yhteistoimintaa EU-asioissa. Sen sijaan on tutkittu unioniasioiden valmistelua ja yhteensovittamista valtioneuvoston sisällä. Kun EU-asioiden yhteensovittamisjärjestelmää luotiin, pidettiin tärkeänä, että jokaisessa säädöshankkeessa ja politiikkahankkeessa kyetään muodostamaan kansallisesti yksi ja yhtenäinen neuvottelupositio. Yhtenäisen kansallisen linjan ajamisen katsottiin parantavan Suomen asemaa unionin päätöksenteossa. Väitöskirjassa todetaan johtopäätöksenä, että EU-asioiden kansallinen valmistelujärjestelmä toteuttaa sille asetetut tavoitteet käytännössä varsin hyvin. Merkittävin kehittämiskohde liittyy kansallisen EU-valmistelun reaktiivisuuteen. Jos Suomi haluaa vaikuttaa yhä vahvemmin EU-lainsäätämiseen, Suomelle tärkeät hankkeet pitäisi tunnistaa jo varhaisessa vaiheessa ja priorisoida selkeästi niiden hoitamista ministeriöissä.

Collective redundancies in the State of California of the United States and in the Republic of Finland. Procedures and Provisions

Video games industry has recently bonded California and Finland in a new way and where the employers are recruiting they also need to be aware of the provisions and procedures related to terminations. In general, collective dismissals are on a relatively high level both in Finland and in California. In California, collective redundancies are regulated under the WARN law. The WARN obligates employers with 75 or more employees to give a 60-day notice prior to a mass lay off and some other similar events. Employers with less than 75 employees are free to administer the terminations without the WARN notice period. Generally, the California at-will presumption allows employment relationship to be terminated any day with or without reason and without notice period if conditions of collective agreements or employment contract do not limit this right. Termination cannot anyhow be in violation of the anti-discrimination law. In Finland the termination related provisions are part of the Employment Contracts Act and the Act on Co-operation within Undertakings. Collective redundancies are allowed under financial and production related grounds. Small employers with less than 20 employees follow the termination provisions of the Employment Contracts Act and are obligated to inform the employee to be terminated on the details of the termination itself and also the services of the Employment and Economic Development Office. Employers with 20 or more employees are to initiate co-operation procedure under the Act on Co-operation within Undertakings when reducing personnel. The co- operation negotiations are to inform employees on the employer’s plans and financial situation as well as to involve them in the decision making regarding the terminations. The employer’s duty to inform the employees of the services of Employment and Economic Development Office needs to be fulfilled also in terminations under the co-operation procedure. Discrimination is prohibited in Finland in terminations of employment. As an alternative for terminations, employees can for example be transferred to another position or be temporarily laid off. Employer’s duties related to search of alternatives for layoff are broader in Finland than in California. The recent development of the labor laws in Finland and in California suggests that the labor law is not static in either one of these environments but changes can be expected as the needs of the business life so require.

Striatal and extrastriatal dopamine D2/3 receptors studied with [11C]raclopride and high-resolution PET

The human striatum is a heterogeneous structure representing a major part of the dopamine (DA) system’s basal ganglia input and output. Positron emission tomography (PET) is a powerful tool for imaging DA neurotransmission. However, PET measurements suffer from bias caused by the low spatial resolution, especially when imaging small, D2/3 -rich structures such as the ventral striatum (VST). The brain dedicated high-resolution PET scanner, ECAT HRRT (Siemens Medical Solutions, Knoxville, TN, USA) has superior resolution capabilities than its predecessors. In the quantification of striatal D2/3 binding, the in vivo highly selective D2/3 antagonist [11C] raclopride is recognized as a well-validated tracer. The aim of this thesis was to use a traditional test-retest setting to evaluate the feasibility of utilizing the HRRT scanner for exploring not only small brain regions such as the VST but also low density D2/3 areas such as cortex. It was demonstrated that the measurement of striatal D2/3 binding was very reliable, even when studying small brain structures or prolonging the scanning interval. Furthermore, the cortical test-retest parameters displayed good to moderate reproducibility. For the first time in vivo, it was revealed that there are significant divergent rostrocaudal gradients of [11C]raclopride binding in striatal subregions. These results indicate that high-resolution [11C]raclopride PET is very reliable and its improved sensitivity means that it should be possible to detect the often very subtle changes occurring in DA transmission. Another major advantage is the possibility to measure simultaneously striatal and cortical areas. The divergent gradients of D2/3 binding may have functional significance and the average distribution binding could serve as the basis for a future database. Key words: dopamine, PET, HRRT, [11C]raclopride, striatum, VST, gradients, test-retest.

Suomalaisten yliopistojen life science-alan spin-off-yritysten rahoitustilanne, -lähteet ja –riskit

Life science-ala on rahoituksellisesti erittäin haastava, koska tuotekehitysputket ovat 10-15 vuoden pituisia ja voivat vaatia suuria etupainotteisia investointeja. Monet life science-alan yritykset ovat niin Suomessa kuin kansainvälisestikin syntyneet suoraan yliopistosta niin sanottuina spin-off-yrityksinä. Yrityksen perustaminen tutkimustiedon pohjalle on yksi akateemisen yrittäjyyden muodoista. Tässä tutkimuksessa tutkitaan akateemista yrittäjyyttä life science-alalla Suomessa. Suomessa life science-alan osaaminen on kansainvälistä huippua ja alalle on syntynyt useita spin-off-yrityksiä viime vuosina. Aiemmat tutkimukset ovat keskittyneet erityisesti agentti-päämiesongelmiin akateemisessa yrittäjyydessä ja life science alaa puolestaan on käsitelty usein pelkästään yhtenä alana. Tutkimuksessa pyritään analysoimaan life science-alan eri painopiste-alueita tarkemmin rahoitusstrategisesta näkökulmasta, koska ala ei ole homogeeninen. Akateemisen yrittäjyyden agenttiongelmaa pyritään tarkoittamaan Suomen yliopistomaailmassa life science-alalta käsin. Tutkimus toteutetaan kvalitatiivisena haastattelututkimuksena ja sitä tukevana tilinpäätöstietojen analysointina. Tutkimuksen tulokset vahvistavat agentti-päämiesongelmien olemassaolon suomalaisessa yliopistomaailmassa. Ongelmien osapuolina ovat niin akateemikot, yliopiston innovaatiopalvelut kuin TEKES:kin. Yrittäjät kaipaavat kokonaisvaltaisempaa apua, koska kokevat alalla liiketoimintaosaamisen puuttuvan monin paikoin. Alan vaatimien runsaiden tuotekehityspanostusten vuoksi alan yritykset ovat pitkään raskaasti tappiollisia. Yritysten valitsemat rahoitusratkaisut vaihtelevat suuresti. Kaikki tutkitut yritykset pyrkivät kasvamaan nykyisten ydintuotteidensa mukana ja ovat jo jossain määrin hankkineet rahoitusta kasvustrategiaansa varten. Alan pääomaintensiivisyydestä johtuen ovat monet yritykset kuitenkin suunnittelemassa tai jo päätyneet tekemään yhteistyötä integroituen alalla joko vertikaalisesti tai horisontaalisesti. Tutkimuksen tulokset vahvistavat aiemman käsityksen, jonka mukaan life science-alan yrityksiä on vaikea arvioida ulkopuolelta pelkästään tilinpäätöstietojen pohjalta, koska alkuvaiheessa rahoituskierrokset ja tappiolliset vuoden seuraavat toisiaan ja toisaalta yrityksen arvo sitoutuu pitkiin tuotekehitysputkiin, jotka eivät välttämättä näy tilinpäätöksessä. Tulokset tuovat esille merkittäviä yritysten kokemia ongelmia rahoituksen saannissa life science-alalla Suomessa sekä akateemisen yrittäjyyden epäkohtia yritystoiminnan näkökulmasta. Näiden tekijöiden huomioonottaminen ja laajempi kansainvälinen vertailu voivat auttaa suomalaisia yrityksiä tällä vahvalla osaamisalalla eteenpäin.