A diagnostic study of waves on the tropopause

The spatial structure and phase velocity of tropopause disturbances localized around the subpolar jet in the Southern Hemisphere are investigated using 6-hourly European Centre for Medium-Range Weather Forecasts reanalysis data covering 15 yr (1979–93). The phase velocity and phase structure of the tropopause disturbances are in good agreement with those of an edge wave vertically trapped at the tropopause. However, the vertical distribution of the ratio of potential to kinetic energy exhibits maxima above and below the tropopause and a minimum around the tropopause, in contradiction to edge wave theory for which the ratio is unity throughout the troposphere and stratosphere. This difference in vertical structure between the observed tropopause disturbances and edge wave theory is attributed to the effects of a finite-depth tropopause together with the next-order corrections in Rossby number to quasigeostrophic dynamics

The longitudinal variation of equatorial waves due to propagation on a varying zonal flow

The general 1-D theory of waves propagating on a zonally varying flow is developed from basic wave theory, and equations are derived for the variation of wavenumber and energy along ray paths. Different categories of behaviour are found, depending on the sign of the group velocity (cg) and a wave property, B. For B positive the wave energy and the wave number vary in the same sense, with maxima in relative easterlies or westerlies, depending on the sign of cg. Also the wave accumulation of Webster and Chang (1988) occurs where cg goes to zero. However for B negative they behave in opposite senses and wave accumulation does not occur. The zonal propagation of the gravest equatorial waves is analysed in detail using the theory. For non-dispersive Kelvin waves, B reduces to 2, and analytic solution is possible. B is positive for all the waves considered, except for the westward moving mixed Rossby-gravity (WMRG) wave which can have negative as well as positive B. Comparison is made between the observed climatologies of the individual equatorial waves and the result of pure propagation on the climatological upper tropospheric flow. The Kelvin wave distribution is in remarkable agreement, considering the approximations made. Some aspects of the WMRG and Rossby wave distributions are also in qualitative agreement. However the observed maxima in these waves in the winter westerlies in the eastern Pacific and Atlantic are not consistent with the theory. This is consistent with the importance of the sources of equatorial waves in these westerly duct regions due to higher latitude wave activity.

Spin-density functional for exchange anisotropic Heisenberg model

Ground-state energies for anti ferromagnetic Heisenberg models with exchange anisotropy are estimated by means of a local-spin approximation made in the context of the density functional theory. Correlation energy is obtained using the non-linear spin-wave theory for homogeneous systems from which the spin functional is built. Although applicable to chains of any size, the results are shown for small number of sites, to exhibit finite-size effects and allow comparison with exact-numerical data from direct diagonalization of small chains. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

Isomers on the [H, S(2), Cl] potential energy surface: A high level investigation

This study reports a systematic state-of-the-art characterization of new sulfur-chlorine species on the [H, S(2), Cl] potential energy surface. Coupled cluster theory singles and doubles with perturbative contributions of connected triples, using the series of correlation consistent basis sets with extrapolations to the complete basis set limit (CBS), were employed to quantify the energetic quantities involved in the isomerization processes on this surface. The structures and vibrational frequencies are unique for some species and represent the most accurate investigation to date. These molecules are potentially a new route of coupling the sulfur and chlorine chemistries in the atmosphere, and conditions of high concentration of H(2)S (HS) like in volcanic eruptions might contribute to their formation. Also an assessment of the MP2/CBS approach relative to CCSD(T)/CBS provides insights on the expected performance of MP2/CBS on the characterization of polysulfides, and also of more complex systems containing disulfide bridges. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

An investigation of pile diameter influence in the bearing capacity on Dynamic Load Test (DLT)

During the construction of five residential buildings in the city of Taubate, State of São Paulo, it was possible to carry out one comprehensive investigation of the behavior of precast concrete piles in clay shales. This paper describes the results of Dynamic Load Tests (DLT's) executed in three piles with different diameters and with the same embedded length. The tests were monitored using the PDA(R) (Pile Driving Analyzer) and the pile top displacement was measured by pencil and paper procedure. From the curves of RMX versus DMX resulted from CASE(R) method, CAPWAPC(R) analyses were made for signals where the maximum mobilized soil resistance was verified. The results were compared with the predicted bearing capacity using the semi-empirical method of Decourt & Quaresma (1978) and Decourt (1982) based on SPT values and the description of the soil profile. Some comments related to the values of quake and damping used for clay shales in the analyses are also presented.

Experience gained and difficulties in performing dynamic load test in composite piles made with steel rails

The results of dynamic instrumentation in two construction sites that used steel rails as pile foundation are presented in this paper. The first dynamic load tests were executed in piles made by single steel rails of the type TR32 and TR37. In the second group of dynamic tests, the piles were made by a composition of two and three steel rails of the same type TR37. The difficulties in placing the sensors, the effect of hammer blow eccentricity and the influence of the non-uniform welding along the pile length are presented in detail and discussed.

Heterodyne Interferometry Applied to the Characterization of Acousto-Electro-Optic Light Modulators

When the electro-optic and acousto-optic effects are combined into a single device, the resulting acousto-electro-optic (AEO) modulator shows improved flexibility to overcome some limitations of the individual modulators or their cascade combinations. By using optical interferometry, it is possible to investigate the AEO modulator behavior as a function of this applied voltage. By this way, a lithium niobate AEO modulator is positioned in one of the arms of a Mach-Zehnder interferometer and operates at 62 MHz frequency, which constitutes the intermediate frequency of the heterodyne interferometer. Operating the AEO modulator in the acousto-optic small diffraction efficiency regime, the photodetected signal amplitude and phase are analyzed, and the induced phase shift, transmission curve and linearity response are obtained. The experimental results show good agreement with that expected from the coupled-mode theory. The possibility of linear control of the optical phase shift by the external voltage, from 0 to 2 p radians, is demonstrated.

The nonlinear essence of gravitational waves

A critical review of gravitational wave theory is made. It is pointed out that the usual linear approach to the gravitational wave theory is neither conceptually consistent nor mathematically justified. Relying upon that analysis it is argued that-analogously to a Yang-Mills propagating field, which must be nonlinear to carry its gauge charge-a gravitational wave must necessarily be nonlinear to transport its own charge-that is, energy-momentum.

The effect of bulk light absorption on running photorefractive holograms

The influence of bulk light absorption on running photorefractive holograms is investigated. By solving the coupled wave equations we prove that the beam intensities, but not the beam phases, can be calculated by averaging the coupling constant over the crystal thickness. We show the importance of the effect by calculating the dielectric relaxation time at the crystal front, and from that the quantum efficiency from a feedback-controlled experiment with a 2.05 mm thick BTO crystal.We propose to simulate the effect of bulk light absorption by a rude estimate of the average dielectric relaxation time which is related in a simple way to the dielectric relaxation time at the crystal front, in doing so an error of less than 10% is introduced.

Phase transition from a d(x(2)-y(2)) to d(x(2)-y(2))+id(xy) superconductor

The temperature dependencies of specific heat and spin susceptibility of a coupled dx2-y2 + idxy superconductor in the presence of a weak dxy component are investigated in the tight-binding model (1) on square lattice and (2) on a lattice with orthorhombic distortion. As the temperature is lowered past the critical temperature Tc, first a less ordered dx2-y2 superconductor is created, which changes to a more ordered dx2-y2 + idxy superconductor at Tcl(< Tc). This manifests in two second order phase transitions identified by two jumps in specific heat at Tc and Tc1. The temperature dependencies of the superconducting observables exhibit a change from power-law to exponential behavior as temperature is lowered below Tc1 and confirm the new phase transition. © 1998 Published by Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Struktur- und Reaktionsaufklärung durch Kombination von Theorie und Experiment

Die vorliegende Dissertation beinhaltet Anwendungen der Quantenchemie und methodische Entwicklungen im Bereich der "Coupled-Cluster"-Theorie zu den folgenden Themen: 1.) Die Bestimmung von Geometrieparametern in wasserstoffverbrückten Komplexen mit Pikometer-Genauigkeit durch Kopplung von NMR-Experimenten und quantenchemischen Rechnungen wird an zwei Beispielen dargelegt. 2.) Die hierin auftretenden Unterschiede in Theorie und Experiment werden diskutiert. Hierzu wurde die Schwingungsmittelung des Dipolkopplungstensors implementiert, um Nullpunkt-Effekte betrachten zu können. 3.) Ein weiterer Aspekt der Arbeit behandelt die Strukturaufklärung an diskotischen Flüssigkristallen. Die quantenchemische Modellbildung und das Zusammenspiel mit experimentellen Methoden, vor allem der Festkörper-NMR, wird vorgestellt. 4.) Innerhalb dieser Arbeit wurde mit der Parallelisierung des Quantenchemiepaketes ACESII begonnen. Die grundlegende Strategie und erste Ergebnisse werden vorgestellt. 5.) Zur Skalenreduktion des CCCSD(T)-Verfahrens durch Faktorisierung wurden verschiedene Zerlegungen des Energienenners getestet. Ein sich hieraus ergebendes Verfahren zur Berechnung der CCSD(T)-Energie wurde implementiert. 6.) Die Reaktionsaufklärung der Bildung von HSOH aus di-tert-Butyl-Sulfoxid wird vorgestellt. Dazu wurde die Thermodynamik der Reaktionsschritte mit Methoden der Quantenchemie berechnet.

Übergangsmomente zwischen angeregten Zuständen mit der RI-CC2-Methode: Implementierung und Anwendung auf Triplett-Excimere

Die Themengebiete dieser Arbeit umfassen sowohl methodische Weiterentwicklungen im Rahmen der ab initio zweiter Ordnungsmethoden CC2 und ADC(2) als auch Anwendungen dieser Weiterentwick-lungen auf aktuelle Fragestellungen. Die methodischen Erweiterungen stehen dabei hauptsächlich im Zusammenhang mit Übergangsmomenten zwischen angeregten Zuständen. Durch die Implementie-rung der selbigen ist nun die Berechnung transienter Absorptionsspektren möglich. Die Anwendungen behandeln vorwiegend das Feld der organischen Halbleiter und deren photo-elektronische Eigen-schaften. Dabei spielen die bislang wenig erforschten Triplett-Excimere eine zentrale Rolle.rnDie Übergangsmomente zwischen angeregten Zuständen wurden in das Programmpaket TUR-BOMOLE implementiert. Dadurch wurde die Berechnung der Übergangsmomente zwischen Zustän-den gleicher Multiplizität (d.h. sowohl Singulett-Singulett- als auch Triplett-Triplett-Übergänge) und unterschiedlicher Multiplizität (also Singulett-Triplett-Übergänge) möglich. Als Erweiterung wurde durch ein Interface zum ORCA Programm die Berechnung von Spin-Orbit-Matrixelementen (SOMEs) implementiert. Des Weiteren kann man mit dieser Implementierung auch Übergänge in offenschaligen Systemen berechnen. Um den Speicherbedarf und die Rechenzeit möglichst gering zu halten wurde die resolution-of-the-identity (RI-) Näherung benutzt. Damit lässt sich der Speicherbedarf von O(N4) auf O(N3) reduzieren, da die mit O(N4) skalierenden Größen (z. B. die T2-Amplituden) sehr effizient aus RI-Intermediaten berechnet werden können und daher nicht abgespeichert werden müssen. Dadurch wird eine Berechnung für mittelgroße Moleküle (ca. 20-50 Atome) mit einer angemessenen Basis möglich.rnDie Genauigkeit der Übergangsmomente zwischen angeregten Zuständen wurde für einen Testsatz kleiner Moleküle sowie für ausgewählte größere organische Moleküle getestet. Dabei stellte sich her-aus, dass der Fehler der RI-Näherung sehr klein ist. Die Vorhersage der transienten Spektren mit CC2 bzw. ADC(2) birgt allerdings ein Problem, da diese Methoden solche Zustände nur sehr unzureichend beschreiben, welche hauptsächlich durch zweifach-Anregungen bezüglich der Referenzdeterminante erzeugt werden. Dies ist für die Spektren aus dem angeregten Zustand relevant, da Übergänge zu diesen Zuständen energetisch zugänglich und erlaubt sein können. Ein Beispiel dafür wird anhand eines Singulett-Singulett-Spektrums in der vorliegenden Arbeit diskutiert. Für die Übergänge zwischen Triplettzuständen ist dies allerdings weniger problematisch, da die energetisch niedrigsten Doppelan-regungen geschlossenschalig sind und daher für Tripletts nicht auftreten.rnVon besonderem Interesse für diese Arbeit ist die Bildung von Excimeren im angeregten Triplettzu-stand. Diese können aufgrund starker Wechselwirkungen zwischen den π-Elektronensystemen großer organischer Moleküle auftreten, wie sie zum Beispiel als organische Halbleiter in organischen Leucht-dioden eingesetzt werden. Dabei können die Excimere die photo-elktronischen Eigenschaften dieser Substanzen signifikant beeinflussen. Im Rahmen dieser Dissertation wurden daher zwei solcher Sys-teme untersucht, [3.3](4,4’)Biphenylophan und das Naphthalin-Dimer. Hierzu wurden die transienten Anregungsspektren aus dem ersten angeregten Triplettzustand berechnet und diese Ergebnisse für die Interpretation der experimentellen Spektren herangezogen. Aufgrund der guten Übereinstimmung zwischen den berechneten und den experimentellen Spektren konnte gezeigt werden, dass es für eine koplanare Anordnung der beiden Monomere zu einer starken Kopplung zwischen lokal angereg-ten und charge-transfer Zuständen kommt. Diese Kopplung resultiert in einer signifikanten energeti-schen Absenkung des ersten angeregten Zustandes und zu einem sehr geringen Abstand zwischen den Monomereinheiten. Dabei ist der angeregte Zustand über beide Monomere delokalisiert. Die star-ke Kopplung tritt bei einem intermolekularen Abstand ≤4 Å auf, was einem typischen Abstand in orga-nischen Halbleitern entspricht. In diesem Bereich kann man zur Berechnung dieser Systeme nicht auf die Förster-Dexter-Theorie zurückgreifen, da diese nur für den Grenzfall der schwachen Kopplung gültig ist.

Einzelmolekülspektroskopische und quantenchemische Untersuchungen zum elektronischen Energietransfer

In der vorliegenden Arbeit wurden Untersuchungen zum Mechanismus, der Dynamik und der Kontrolle des elektronischen Energietransfers in multichromophoren Modellsystemen durchgeführt. Als Untersuchungsmethoden wurden hauptsächlich die konfokale Einzelmolekülspektroskopie und die Quantenchemie eingesetzt. Der Aufbau des Einzelmolekülmikroskops wurde bezüglich der Anregungs- und Detektionskomponenten variiert, um die unterschiedlichen Experimente durchzuführen. Die quantenchemischen Rechnungen wurden auf Dichtefunktional- und Coupled-Cluster-Niveau durchgeführt. Die aus den Rechnungen erhaltenen zusätzlichen Informationen über experimentell zum Teil schwer zugängliche Eigenschaften der Farbstoffe unterstützten die Interpretation der experimentellen Befunde. rnIn früheren Untersuchungen der AG Basché wurden die Energietransfer-Raten von Donor-Akzeptor-Systemen gemessen, die erhebliche Abweichungen von nach der Förster-Theorie berechneten Raten zeigten. Daher war ein Ziel der vorliegenden Arbeit, diese Abweichungen zu erklären. Zu diesem Zweck wurde die Geometrie der Diaden experimentell untersucht, sowie die elektronische Kopplung zwischen den Chromophoren quantenchemisch berechnet. Die relative Orientierung der Chromophore in den Diaden wurde in einem Einzelmolekül-Experiment mit rotierender Anregungspolarisation abgefragt. Die erhaltenen Winkelverteilungen konnten schließlich eindeutig auf die Flexibilität der die Chromophore verbrückenden Oligophenyl-Einheiten zurückgeführt werden. Die Unterschiede der gemessenen Energietransfer-Raten zu den nach der Förster-Theorie ermittelten Werten konnten jedoch nicht über die molekulare Flexibilität der Systeme erklärt werden. Aufklärung über die Diskrepanzen zur Förster-Theorie ergaben die quantenchemischen Rechnungen. In Rahmen dieser Arbeit wurde zum ersten Mal die Coupled-Cluster-Theorie zur Berechnung der elektronischen Kopplung eingesetzt. Die Betrachtung der isolierten Chromophore reichte aber nicht aus, um die gemessenen Abweichungen von der Förster-Theorie zu erklären. Erst über die Berücksichtigung der molekularen Brücke konnten die gefunden Abweichungen erklärt werden. Die deutliche Verstärkung der elektronischen Kopplung ist auf die Polarisierbarkeit der Brücke zurückzuführen.rnNach diesen Betrachtungen stand die Kontrolle des Energietransfers im Fokus der weiteren Untersuchungen. In den durchgeführten Einzelmolekülexperimenten wurden die Chromophore der Donor-Akzeptor-Systeme selektiv mit zwei Laserpulsen unterschiedlicher Wellenlänge angeregt. Beim gleichzeitigen Anregen beider Chromophore wurde Singulett-Singulett-Annihilation (SSA) induziert, ein Energietransferprozess, bei dem die Anregungsenergie vom vorigen Akzeptor zum vorigen Donor übertragen wird. Da über SSA Fluoreszenzphotonen gelöscht wurden, konnte über den Abstand der Laserpulse die Fluoreszenzintensität des einzelnen Moleküls moduliert werden. Konzeptionell verwandte Einzelmolekülexperimente wurden an einem weiteren molekularen System durchgeführt, das aus einem Kern und einer Peripherie bestand. Fluoreszenzauszeiten des Gesamtsystems bei selektiver Anregung des Kerns wurden auf die Population eines Triplett-Zustandes zurückgeführt, der die Fluoreszenz der Peripherie löschte. rnAbschließend wurde der SSA-Prozess zwischen zwei gleichartigen Chromophoren untersucht. Es wurde eine Methode entwickelt, die es zum ersten Mal erlaubte, die SSA-Zeitkonstante individueller Moleküle zu bestimmen. Hierfür wurden die Daten der gemessenen Photonen-Koinzidenzhistogramme mittels eines im Rahmen dieser Arbeit hergeleiteten analytischen Zusammenhangs ausgewertet, der über Monte-Carlo-Simulationen bestätigt wurde.

Enhancing Optical Isolator Performance in Nonreciprocal Waveguide Arrays

We investigate the operation of optical isolators based on magneto-optics waveguide arrays beyond the coupled mode analysis. Semi-vectorial beam propagation simulations demonstrate that evanescent tail coupling and the effects of radiation are responsible for degrading the device’s performance. Our analysis suggests that these effects can be mitigated when the array size is scaled up. In addition, we propose the use of radiation blockers in order to offset some of these effects, and we show that they provide a dramatic improvement in performance. Finally, we also study the robustness of the system with respect to fabrication tolerances using the coupled mode theory. We show that small, random variations in the system’s parameters tend to average out as the number of optical guiding channels increases.

Accurate computations of the structures and binding energies of the imidazole ... benzene and pyrrole ... benzene complexes

Using explicitly-correlated coupled-cluster theory with single and double excitations, the intermolecular distances and interaction energies of the T-shaped imidazole⋯⋯benzene and pyrrole⋯⋯benzene complexes have been computed in a large augmented correlation-consistent quadruple-zeta basis set, adding also corrections for connected triple excitations and remaining basis-set-superposition errors. The results of these computations are used to assess other methods such as Møller–Plesset perturbation theory (MP2), spin-component-scaled MP2 theory, dispersion-weighted MP2 theory, interference-corrected explicitly-correlated MP2 theory, dispersion-corrected double-hybrid density-functional theory (DFT), DFT-based symmetry-adapted perturbation theory, the random-phase approximation, explicitly-correlated ring-coupled-cluster-doubles theory, and double-hybrid DFT with a correlation energy computed in the random-phase approximation.