Critical behavior in nonequilibrium phase transitions

The nonequilibrium phase transitions occurring in a fast-ionic-conductor model and in a reaction-diffusion Ising model are studied by Monte Carlo finite-size scaling to reveal nonclassical critical behavior; our results are compared with those in related models.

Ab Initio study of magnetic interactions in the KCuF3 and K2CuF4 low-dimensional Systems

The ab initio cluster model approach has been used to study the electronic structure and magnetic coupling of KCuF3 and K2CuF4 in their various ordered polytype crystal forms. Due to a cooperative Jahn-Teller distortion these systems exhibit strong anisotropies. In particular, the magnetic properties strongly differ from those of isomorphic compounds. Hence, KCuF3 is a quasi-one-dimensional (1D) nearest neighbor Heisenberg antiferromagnet whereas K2CuF4 is the only ferromagnet among the K2MF4 series of compounds (M=Mn, Fe, Co, Ni, and Cu) behaving all as quasi-2D nearest neighbor Heisenberg systems. Different ab initio techniques are used to explore the magnetic coupling in these systems. All methods, including unrestricted Hartree-Fock, are able to explain the magnetic ordering. However, quantitative agreement with experiment is reached only when using a state-of-the-art configuration interaction approach. Finally, an analysis of the dependence of the magnetic coupling constant with respect to distortion parameters is presented.

Fernsteuerung superparamagnetischer Partikel und Charakterisierung von Magnetkraftmikroskopiespitzen in externen Magnetfeldern mit magnetisch strukturierten Substraten

Die Ionenbeschussinduzierte magnetische Strukturierung (engl.: Ion Bombardment Induced Magnetic Patterning – IBMP) beinhaltet den Beschuss austauschverschobener Ferromagnet/Antiferromagnet-Schichtsysteme mit niederenergetischen Heliumionen durch eine lithographisch erstellte Lackmaske, die die Ionen nur in den gewünschten Bereichen zum Schichtsystem vordringen lässt. Damit können Richtung und Stärke der Austauschverschiebung (engl.: Exchange Bias – EB) lokal beschränkt beeinflusst werden und es entstehen, in Remanenz stabile, magnetische Muster. Nach Entfernen der Resistmaske ist die Probe ohne topographische Kontraste. Bisher konnten mit dieser Methode Strukturen bis zu einer minimalen Größen von 500nm nachgewiesen werden. Diese Methode und zwei Anwendungsmöglichkeiten der IBMP werden in dieser Arbeit dargelegt: Die Interpretation von Magnetkraftmikroskopieaufnahmen im externen Magnetfeld erweist sich als problematisch, wenn die Richtung des äußeren Magnetfeldes senkrecht zum magnetischen Moment der MFM-Spitze steht und dieses unvermeidlich auch beeinflusst. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird die Tauglichkeit von topographisch flachen magnetischen Strukturen als Kalibrierproben für Magnetkraftmikroskopiesonden nachgewiesen. Die Magnetisierung solcher Proben ist in gewissem Rahmen unabhängig vom externen Magnetfeld. Daraus folgt, dass Veränderungen der magnetkraftmikroskopischen Aufnahmen in diesem Feldbereich allein auf Modifikationen des Magnetisierungszustandes der Spitze zurückzuführen sind. Anhand eines Modells nach sollen die Streufelder über der Probe modelliert und eine Quantifizierung dieser Einflüsse ermöglicht werden. Im Weiteren wird die gezielte Beeinflussung superparamagnetischer Nano- und Mikropartikel durch die künstlichen Streufelder über den Proben gezeigt. Dabei lag das Augenmerk zum Einen auf der gezielten Positionierung der Kolloide durch geeignete Wahl der künstlichen Domänenmuster und zum Anderen auf der ferngesteuerten Bewegung mittels geschickter Kombination eines externen Magnetfeldgradienten zusätzlich zu den magnetischen Streufeldern der Probe. Ein großes Hemmnis bei ähnlichen Anwendungen mit stromdurchflossenen Leiterbahnen sind die Erwärmung der Probe sowie die Zerstörung der Strukturen durch Elektromigration. Diese Erschwernisse können mit den in der vorliegenden Arbeit genutzten künstlichen magnetischen Strukturen, die sich durch externe Magnetfelder abschalten lassen und in Remanenz wieder erscheinen, elegant umgangen werden.

Magneto-optische Oberflächenplasmonresonanzeffekte in austauschverschobenen Dünnschichtsystemen

Die Wechselwirkungen zwischen Biomolekülen spielen eine zentrale Rolle in der biochemischen und pharmazeutischen Forschung. In der biomolekularen Interaktionsanalyse sind dabei Biosensoren auf Basis des Oberflächenplasmonresonanzeffekts (SPR-Effekt) weitverbreitet. Seit Einführung der ersten kommerziellen SPR-Biosensoren Anfang der 1990er Jahre wurden verschiedenste Messanordnungen sowie Materialsysteme mit dem Ziel einer möglichst hohen Empfindlichkeit getestet. Eine Möglichkeit zur Steigerung der Empfindlichkeit klassischer SPR-Systeme bieten sogenannte magneto-optische SPR-Biosensoren (MOSPR-Biosensoren). Grundlage der Empfindlichkeitssteigerung ist die gleichzeitige Messung des SPR-Effekts und des transversalen magneto-optischen KERR-Effekts (tMOKE). Bisherige Untersuchungen haben sich meist auf den Einfluss der Magnetisierung freier ferromagnetischer Schichten beschränkt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden erstmals austauschverschobene Dünnschichtsysteme (EB-Systeme), eine Kombination aus Ferromagnet und Antiferromagnet, hinsichtlich ihrer Eignung für SPR- und MOSPR-basierte biosensorische Anwendungen untersucht. Aufgrund der remanenten Magnetisierung der ferromagnetischen Schicht und ihrer magnetischen Strukturierbarkeit sind EB-Systeme eine hochinteressante Plattform zur Realisierung neuer Biosensorkonzepte. Zur Reduzierung der stark dämpfendenden Wirkung magnetischer Materialien wurde das hier betrachtete IrMn/Co EB-System zwischen zwei Goldschichten eingebettet. Eine Gegenüberstellung optimierter Au/ IrMn/Co/Au-Systeme mit einem reinen Au-System, wie es typischerweise in kommerziellen SPR-basierten Biosensoren eingesetzt wird, demonstriert, dass mit den entwickelten EB-Systemen vergleichbare Empfindlichkeiten in SPR-Sensor-Anwendungen erreicht werden können. Die magneto-optische Aktivität der untersuchten Dünnschichtsysteme liegt im Bereich der Literaturwerte für Au/Co/Au-Systeme, mit denen erhöhte Empfindlichkeiten gegenüber Standard-SPR-Biosensoren realisiert wurden. Auf Grundlage magnetisch strukturierter Au/IrMn/Co/Au-Systeme wurden neue Biosensorkonzepte entwickelt und getestet. Erste Experimente belegen, dass mit diesen Schichtsystemen eine gleichzeitige Detektion der magnetisierungsabhängigen Reflektivitäten in ortsauflösenden MOSPR-Messungen möglich ist. Eine solche Messanordnung profitiert von der erhöhten Empfindlichkeit MOSPR-basierter Biosensoren, hohen Messgeschwindigkeiten und einem verbesserten Signal-Rausch-Verhältnis. Weiterhin wurde der domänenwandassistierte Transport (DOWMAT) superparamagnetischer Partikel über der Oberfläche eines exemplarischen EB-Systems, zur Sensorintegration von Misch-, Reinigungs- und Aufkonzentrationsfunktionen erfolgreich getestet. Die Ergebnisse demonstrieren, dass ein Transport von Partikelreihen mit hohen Geschwindigkeiten bei moderaten externen Magnetfeldern über den entwickelten Schichtsystemen möglich ist. Die Agglomeration der Partikel wird dabei intrinsisch vermieden. Diese Beobachtungen verdeutlichen die Vorzüge des DOWMAT-Mechanismus für biosensorische Anwendungen. Die präsentierten Untersuchungen bilden die Grundlage auf dem Weg zur Umsetzung neuer vielversprechender Biosensorkonzepte, die eine Schlüsselfunktion in der medizinischen point-of-care-Diagnostik bei der Detektion kleinster Konzentrationen krankheitsrelevanter Biomarker einnehmen können.

Riesgo de hipertensión arterial por ruido laboral: revisión sistemática

Introducción: la pérdida auditiva inducida por ruido es el efecto nocivo del ruido más comúnmente estudiado, sin embargo, el ruido también produce trastornos digestivos y del sueño, cambios en los niveles de cortisol, efectos cardiovasculares e hipertensión arterial (HTA), entre otros. Objetivo: determinar si la exposición laboral a ruido induce hipertensión arterial. Materiales y métodos: se siguieron las recomendaciones del método PRISMA para revisiones sistemáticas. Se hizo una búsqueda de estudios en PUBMED utilizando los términos “occupational and noise and hypertension” y aplicando los filtros: 1) publicaciones incluidas entre 2005-2015; 2) estudios publicados en inglés; 3) revisión de títulos y resúmenes; 4) revisión completa de los textos para un total final de 32 estudios. Se hizo la revisión, análisis y resumen de todos los estudios. Resultados: los estudios concluyeron que aquellos portadores de los polimorfismos de la enzima convertidora de angiotensina expuestos a ruido, tuvieron una mayor susceptibilidad genética a tener HTA. Los estudios reportaron una asociación positiva entre ruido e HTA. Hay controversia acerca de la relación que existe entre HTA, ruido y coexposición a otros factores como calor, trabajo por turnos, presencia de solventes o plomo en el lugar de trabajo y carga física. Conclusiones: Se presume que solo los niveles de ruido ≥ 85 dBA tienen efectos negativos sobre la salud, pero se ha encontrado que los efectos no auditivos del ruido se producen por debajo de este parámetro. Recomendaciones: se sugiere el uso de la pérdida auditiva inducida por ruido entre población trabajadora como un método de tamizaje para detectar personas prehipertensas, con el fin prevenir la generación de HTA.

Bayesian parameter estimation for latent Markov random fields and social networks

Undirected graphical models are widely used in statistics, physics and machine vision. However Bayesian parameter estimation for undirected models is extremely challenging, since evaluation of the posterior typically involves the calculation of an intractable normalising constant. This problem has received much attention, but very little of this has focussed on the important practical case where the data consists of noisy or incomplete observations of the underlying hidden structure. This paper specifically addresses this problem, comparing two alternative methodologies. In the first of these approaches particle Markov chain Monte Carlo (Andrieu et al., 2010) is used to efficiently explore the parameter space, combined with the exchange algorithm (Murray et al., 2006) for avoiding the calculation of the intractable normalising constant (a proof showing that this combination targets the correct distribution in found in a supplementary appendix online). This approach is compared with approximate Bayesian computation (Pritchard et al., 1999). Applications to estimating the parameters of Ising models and exponential random graphs from noisy data are presented. Each algorithm used in the paper targets an approximation to the true posterior due to the use of MCMC to simulate from the latent graphical model, in lieu of being able to do this exactly in general. The supplementary appendix also describes the nature of the resulting approximation.

Extending the use of canonical and microcanonical Monte Carlo algorithms to spin models

We describe the canonical and microcanonical Monte Carlo algorithms for different systems that can be described by spin models. Sites of the lattice, chosen at random, interchange their spin values, provided they are different. The canonical ensemble is generated by performing exchanges according to the Metropolis prescription whereas in the microcanonical ensemble, exchanges are performed as long as the total energy remains constant. A systematic finite size analysis of intensive quantities and a comparison with results obtained from distinct ensembles are performed and the quality of results reveal that the present approach may be an useful tool for the study of phase transitions, specially first-order transitions. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

Antiferromagnetic spherical spin-glass model

We study the thermodynamic properties and the phase diagrams of a multi-spin antiferromagnetic spherical spin-glass model using the replica method. It is a two-sublattice version of the ferromagnetic spherical p-spin glass model. We consider both the replica-symmetric and the one-step replica-symmetry-breaking solutions, the latter being the most general solution for this model. We find paramagnetic, spin-glass, antiferromagnetic and mixed or glassy antiferromagnetic phases. The phase transitions are always of second order in the thermodynamic sense, but the spin-glass order parameter may undergo a discontinuous change.

Conservative ensembles for nonequilibrium lattice-gas systems

We show how to set up a constant particle ensemble for the steady state of nonequilibrium lattice-gas systems which originally are defined on a constant rate ensemble. We focus on nonequilibrium systems in which particles are created and annihilated on the sites of a lattice and described by a master equation. We consider also the case in which a quantity other than the number of particle is conserved. The conservative ensembles can be useful in the study of phase transitions and critical phenomena particularly discontinuous phase transitions.

Critical behavior of a contact process with aperiodic transition rates

We performed Monte Carlo simulations to investigate the steady-state critical behavior of a one-dimensional contact process with an aperiodic distribution of rates of transition. As in the presence of randomness, spatial fluctuations can lead to changes of critical behavior. For sufficiently weak fluctuations, we give numerical evidence to show that there is no departure from the universal critical behavior of the underlying uniform model. For strong spatial fluctuations, the analysis of the data indicates a change of critical universality class.

The magnetic phase diagram of Gd(2)Sn(2)O(7)

Measurements of the magnetic susceptibility of the frustrated pyrochlore magnet Gd(2)Sn(2)O(7) have been performed at temperatures below T = 5 K and in magnetic fields up to H = 12 T. The phase boundaries determined from these measurements are mapped out in an H-T phase diagram. In this gadolinium compound, where the crystal-field splitting is small and the exchange and dipolar energy are comparable, the Zeeman energy overcomes these competing energies, resulting in at least four magnetic phase transitions below 1 K. These data are compared against those for Gd(2)Ti(2)O(7) and will, we hope, stimulate further studies.

Magnetic structures of quaternary intermetallic borocarbides RCo(2)B(2)C (R = Dy, Ho, Er)

The magnetic structures of the title compounds have been studied by neutron diffraction. In contrast to the isomorphous RNi(2)B(2)C compounds, wherein a variety of exotic incommensurate modulated structures has been observed, the magnetic structure of ErCo(2)B(2)C is found to be a collinear antiferromagnet with k = (12, 0, 12) while those of HoCo(2)B(2)C and DyCo(2)B(2)C are observed to be simple ferromagnets. For all studied compounds, the moments are found to be confined within the basal plane and their magnitudes are comparable to the values obtained from the low-temperature isothermal magnetization measurements. The absence of modulated magnetic structures in the RCo(2)B(2)C series (for ErCo(2)B(2)C, verified down to 50 mK) is attributed to the quenching of the Fermi surface nesting features.

Influence of super-ohmic dissipation on a disordered quantum critical point

We investigate the combined influence of quenched randomness and dissipation on a quantum critical point with O(N) order-parameter symmetry. Utilizing a strong-disorder renormalization group, we determine the critical behavior in one space dimension exactly. For super-ohmic dissipation, we find a Kosterlitz-Thouless type transition with conventional (power-law) dynamical scaling. The dynamical critical exponent depends on the spectral density of the dissipative baths. We also discuss the Griffiths singularities, and we determine observables.

Protecting clean critical points by local disorder correlations

We show that a broad class of quantum critical points can be stable against locally correlated disorder even if they are unstable against uncorrelated disorder. Although this result seemingly contradicts the Harris criterion, it follows naturally from the absence of a random-mass term in the associated order parameter field theory. We illustrate the general concept with explicit calculations for quantum spin-chain models. Instead of the infinite-randomness physics induced by uncorrelated disorder, we find that weak locally correlated disorder is irrelevant. For larger disorder, we find a line of critical points with unusual properties such as an increase of the entanglement entropy with the disorder strength. We also propose experimental realizations in the context of quantum magnetism and cold-atom physics. Copyright (C) EPLA, 2011

Short-time behaviour of demand and price viewed through an exactly solvable model for heterogeneous interacting market agents

We introduce a stochastic heterogeneous interacting-agent model for the short-time non-equilibrium evolution of excess demand and price in a stylized asset market. We consider a combination of social interaction within peer groups and individually heterogeneous fundamentalist trading decisions which take into account the market price and the perceived fundamental value of the asset. The resulting excess demand is coupled to the market price. Rigorous analysis reveals that this feedback may lead to price oscillations, a single bounce, or monotonic price behaviour. The model is a rare example of an analytically tractable interacting-agent model which allows LIS to deduce in detail the origin of these different collective patterns. For a natural choice of initial distribution, the results are independent of the graph structure that models the peer network of agents whose decisions influence each other. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.