Desenvolvimento de um código computacional para simulação e análise de espectros atômicos

The aim of this work was the development a computer code for simulation and analysis of atomic spectra from databases constructed from the literature. There were created four routines that can be useful for spectroscopic studies in the atomic processes of laser isotope separation. In the first routine, Possible Transitions, the program checks the possible electron transitions from an energy level of the atom present in the database considering the selection rules for an electric dipole transition. The second routine, Locator Transitions, checks the possible electronic transitions within a user-specified spectral region. The routine Spectra Simulator creates simulated spectra using the graphical application gnuplot through lorentzian curve and finally, the routine Electronic Temperature determines the temperature of electronic excitation of the atom, thought the Boltzmann Plot Method. To test the reliability of the program there were obtained experimental emission spectra of a hollow cathode discharge of dysprosium and argon as a buffer gas. The hollow cathode discharge has been subjected to different values of operating currents and pressure of inert gas. The spectra obtained were treated with the assistance of program routines developed (Transition Locator and Spectra Simulator) and temperatures electronic excitation of the atoms of dysprosium in the different discharge conditions were calculated (routine Electronic Temperature). The results showed that the electronic excitation temperature of the neutral dysprosium atoms in the hollow cathode discharge increases with increasing current applied to the cathode and also by increasing the gas pressure buffer. The determination coefficients, R2, obtained by the Electronic Temperature routine using the linear adjust of the Boltzmann Plot Method were greater... (Complete abstract click electronic access below)

Dirac fermions in strong electric field and quantum transport in graphene

Our previous results on the nonperturbative calculations of the mean current and of the energy-momentum tensor in QED with the T-constant electric field are generalized to arbitrary dimensions. The renormalized mean values are found, and the vacuum polarization contributions and particle creation contributions to these mean values are isolated in the large T limit; we also relate the vacuum polarization contributions to the one-loop effective Euler-Heisenberg Lagrangian. Peculiarities in odd dimensions are considered in detail. We adapt general results obtained in 2 + 1 dimensions to the conditions which are realized in the Dirac model for graphene. We study the quantum electronic and energy transport in the graphene at low carrier density and low temperatures when quantum interference effects are important. Our description of the quantum transport in the graphene is based on the so-called generalized Furry picture in QED where the strong external field is taken into account nonperturbatively; this approach is not restricted to a semiclassical approximation for carriers and does not use any statistical assumptions inherent in the Boltzmann transport theory. In addition, we consider the evolution of the mean electromagnetic field in the graphene, taking into account the backreaction of the matter field to the applied external field. We find solutions of the corresponding Dirac-Maxwell set of equations and with their help we calculate the effective mean electromagnetic field and effective mean values of the current and the energy-momentum tensor. The nonlinear and linear I-V characteristics experimentally observed in both low-and high-mobility graphene samples are quite well explained in the framework of the proposed approach, their peculiarities being essentially due to the carrier creation from the vacuum by the applied electric field. DOI: 10.1103/PhysRevD.86.125022

Characterization of selectivity and pharmacophores of type 1 sea anemone toxins by screening seven Na-v sodium channel isoforms

During their evolution, animals have developed a set of cysteine-rich peptides capable of binding various extracellular sites of voltage-gated sodium channels (VGSC). Sea anemone toxins that target VGSCs delay their inactivation process, but little is known about their selectivities. Here we report the investigation of three native type 1 toxins (CGTX-II, delta-AITX-Bcg1a and delta-AITX-Bcg1b) purified from the venom of Bunodosoma cangicum. Both delta-AITX-Bcg1a and delta-AITX-Bcg1b toxins were fully sequenced. The three peptides were evaluated by patch-clamp technique among Nav1.1-1.7 isoforms expressed in mammalian cell lines, and their preferential targets are Na(v)1.5 > 1.6 > 1.1. We also evaluated the role of some supposedly critical residues in the toxins which would interact with the channels, and observed that some substitutions are not critical as expected. In addition, CGTX-II and delta-AITX-Bcg1a evoke different shifts in activation/inactivation Boltzmann curves in Nav1.1 and 1.6. Moreover, our results suggest that the interaction region between toxins and VGSCs is not restricted to the supposed site 3 (S3-54 linker of domain IV), and this may be a consequence of distinct surface of contact of each peptide vs. targeted channel. Our data suggest that the contact surfaces of each peptide may be related to their surface charges, as CGTX-II is more positive than delta-AITX-Bcg1a and delta-AITX-Bcg1b. (C) 2011 Elsevier Inc. All rights reserved.

COMPLEXITY MEASURE: A QUANTUM INFORMATION APPROACH

In the past decades, all of the efforts at quantifying systems complexity with a general tool has usually relied on using Shannon's classical information framework to address the disorder of the system through the Boltzmann-Gibbs-Shannon entropy, or one of its extensions. However, in recent years, there were some attempts to tackle the quantification of algorithmic complexities in quantum systems based on the Kolmogorov algorithmic complexity, obtaining some discrepant results against the classical approach. Therefore, an approach to the complexity measure is proposed here, using the quantum information formalism, taking advantage of the generality of the classical-based complexities, and being capable of expressing these systems' complexity on other framework than its algorithmic counterparts. To do so, the Shiner-Davison-Landsberg (SDL) complexity framework is considered jointly with linear entropy for the density operators representing the analyzed systems formalism along with the tangle for the entanglement measure. The proposed measure is then applied in a family of maximally entangled mixed state.

Interfacial concentrations of chloride and bromide in zwitterionic micelles with opposite dipoles: Experimental determination by chemical trapping and a theoretical description

Interfacial concentrations of chloride and bromide ions, with Li+, Na+, K+, Rb+, Cs+, trimethylammonium (TMA(+)), Ca2+, and Mg2+ as counterions, were determined by chemical trapping in micelles formed by two zwitterionic surfactants, namely N-hexadecyl-N,N-dimethyl-3-ammonio-1-propanesulfonate (HPS) and hexadecylphosphorylcholine (HDPC) micelles. Appropriate standard curves for the chemical trapping method were obtained by measuring the product yields of chloride and bromide salts with 2,4,6-trimethyl-benzenediazonium (BF4) in the presence of low molecular analogs (N,N,N-trimethyl-propane sulfonate and methyl-phosphorylcholine) of the employed surfactants. The experimentally determined values for the local Br- (Cl-) concentrations were modeled by fully integrated non-linear Poisson Boltzmann equations. The best fits to all experimental data were obtained by considering that ions at the interface are not fixed at an adsorption site but are free to move in the interfacial plane. In addition, the calculation of ion distribution allowed the estimation of the degree of ion coverage by using standard chemical potential differences accounting for ion specificity. (C) 2012 Elsevier Inc. All rights reserved.

Multi-q pattern analysis: A case study in image classification

This paper compares the effectiveness of the Tsallis entropy over the classic Boltzmann-Gibbs-Shannon entropy for general pattern recognition, and proposes a multi-q approach to improve pattern analysis using entropy. A series of experiments were carried out for the problem of classifying image patterns. Given a dataset of 40 pattern classes, the goal of our image case study is to assess how well the different entropies can be used to determine the class of a newly given image sample. Our experiments show that the Tsallis entropy using the proposed multi-q approach has great advantages over the Boltzmann-Gibbs-Shannon entropy for pattern classification, boosting image recognition rates by a factor of 3. We discuss the reasons behind this success, shedding light on the usefulness of the Tsallis entropy and the multi-q approach. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

Irreversible spherical model and its stationary entropy production rate

The nonequilibrium stationary state of an irreversible spherical model is investigated on hypercubic lattices. The model is defined by Langevin equations similar to the reversible case, but with asymmetric transition rates. In spite of being irreversible, we have succeeded in finding an explicit form for the stationary probability distribution, which turns out to be of the Boltzmann-Gibbs type. This enables one to evaluate the exact form of the entropy production rate at the stationary state, which is non-zero if the dynamical rules of the transition rates are asymmetric.

Generalized Metropolis dynamics with a generalized master equation: An approach for time-independent and time-dependent Monte Carlo simulations of generalized spin systems

The extension of Boltzmann-Gibbs thermostatistics, proposed by Tsallis, introduces an additional parameter q to the inverse temperature beta. Here, we show that a previously introduced generalized Metropolis dynamics to evolve spin models is not local and does not obey the detailed energy balance. In this dynamics, locality is only retrieved for q = 1, which corresponds to the standard Metropolis algorithm. Nonlocality implies very time-consuming computer calculations, since the energy of the whole system must be reevaluated when a single spin is flipped. To circumvent this costly calculation, we propose a generalized master equation, which gives rise to a local generalized Metropolis dynamics that obeys the detailed energy balance. To compare the different critical values obtained with other generalized dynamics, we perform Monte Carlo simulations in equilibrium for the Ising model. By using short-time nonequilibrium numerical simulations, we also calculate for this model the critical temperature and the static and dynamical critical exponents as functions of q. Even for q not equal 1, we show that suitable time-evolving power laws can be found for each initial condition. Our numerical experiments corroborate the literature results when we use nonlocal dynamics, showing that short-time parameter determination works also in this case. However, the dynamics governed by the new master equation leads to different results for critical temperatures and also the critical exponents affecting universality classes. We further propose a simple algorithm to optimize modeling the time evolution with a power law, considering in a log-log plot two successive refinements.

Study of the vertical transport in p-doped superlattices based on group III-V semiconductors

The electrical conductivity σ has been calculated for p-doped GaAs/Al0.3Ga0.7As and cubic GaN/Al0.3Ga0.7N thin superlattices (SLs). The calculations are done within a self-consistent approach to the k → ⋅ p → theory by means of a full six-band Luttinger-Kohn Hamiltonian, together with the Poisson equation in a plane wave representation, including exchange correlation effects within the local density approximation. It was also assumed that transport in the SL occurs through extended minibands states for each carrier, and the conductivity is calculated at zero temperature and in low-field ohmic limits by the quasi-chemical Boltzmann kinetic equation. It was shown that the particular minibands structure of the p-doped SLs leads to a plateau-like behavior in the conductivity as a function of the donor concentration and/or the Fermi level energy. In addition, it is shown that the Coulomb and exchange-correlation effects play an important role in these systems, since they determine the bending potential.

Study of surface free energy on a lattice-gas model applied to Liquid bridge

The pulmonary crackling and the formation of liquid bridges are problems that for centuries have been attracting the attention of scientists. In order to study these phenomena, it was developed a canonical cubic lattice-gas­ like model to explain the rupture of liquid bridges in lung airways [A. Alencar et al., 2006, PRE]. Here, we further develop this model and add entropy analysis to study thermodynamic properties, such as free energy and force. The simulations were performed using the Monte Carlo method with Metropolis algorithm. The exchange between gas and liquid particles were performed randomly according to the Kawasaki dynamics and weighted by the Boltzmann factor. Each particle, which can be solid (s), liquid (l) or gas (g), has 26 neighbors: 6 + 12 + 8, with distances 1, √2 and √3, respectively. The energy of a lattice's site m is calculated by the following expression: Em = ∑k=126 Ji(m)j(k) in witch (i, j) = g, l or s. Specifically, it was studied the surface free energy of the liquid bridge, trapped between two planes, when its height is changed. For that, was considered two methods. First, just the internal energy was calculated. Then was considered the entropy. It was fond no difference in the surface free energy between this two methods. We calculate the liquid bridge force between the two planes using the numerical surface free energy. This force is strong for small height, and decreases as the distance between the two planes, height, is increased. The liquid-gas system was also characterized studying the variation of internal energy and heat capacity with the temperature. For that, was performed simulation with the same proportion of liquid and gas particle, but different lattice size. The scale of the liquid-gas system was also studied, for low temperature, using different values to the interaction Jij.

Counterion condensation for rigid linear polyelectrolytes

Diese Doktorarbeit studiert steife, lineare Polyelektrolyteim Rahmen eines Zellenmodells. Im Mittelpunkt steht dabeidas Phänomen der Gegenionenkondensation an der Oberflächeeines geladenen Makroions. Seine Abhängigkeit vonParametern wie Dichte, Bjerrum-Länge, Valenz undIonenstärke wird untersucht, und seine Auswirkungen aufwichtige Observablen wie Ionenverteilungen und osmotischerDruck werden diskutiert. Von theoretischer Seite werdendiese Probleme mit Hilfe der nichtlinearen undlinearisierten Poisson-Boltzmann Gleichung sowieallgemeineren Dichtefunktionaltheorien behandelt.Molekulardynamik-Simulationen ergänzen die theoretischenErgebnisse und grenzen den Bereich ihrer Gültigkeit ab. Ausgehend von der Poisson-Boltzmann Theorie wird einneuartiges Kriterium fuer Gegenionenkondensationvorgeschlagen, welches mit der Manning-Theorie verträglichist. Ein neuer Korrekturterm fuer die freie Energie inPoisson-Boltzmann Näherung wird hergeleitet, ausgehend vomModell eines einkomponentigen Plasmas. Die entsprechendenFunktionale der freien Energie werden mittels einerneuartigen Monte-Carlo Methode minimiert. Diedurchgeführten Computersimulationen untersucheninsbesondere die qualitativ neuen Phänomene, welche beihoher Ionenstärke auftreten, wie etwa Ladungsumkehr, einnegativer osmotischer Druck oder ein nicht-monotoneszeta-Potential. In all diesen Fällen wird die Bedeutungmultivalenter Ionen offensichtlich. In den Simulationen werden elektrostatische Wechselwirkungenmittels Particle-Mesh-Ewald Algorithmen berechnet. DerenAufbau wird in einem einheitlichen mathematischen Rahmenanalysiert. Speziell fuer die P3M Methode wird erstmalseine analytische Fehlerabschätzung hergeleitet.

Computersimulationen zur Dynamik von verdünnten und halbverdünnten Polymerlösungen

Diese Arbeit legt eine neue Methode zur Simulation derDynamik vonPolymeren in verdünnter und halbverdünnterLösung vor. Die Effizienz der Methode und derAnstieg der Computerleistung in den letzten Jahren erlaubenes, weitaus komplexere Systeme als bisher zu betrachten.Die neue Methode modelliert die Polymere als Kugel-Feder-Ketten, die mittels Molekulardynamik simuliertwerden. Die Flüssigkeit wird durch die numerischeLösung der Kontinuitätsgleichungund der Navier-Stokes-Gleichung mit derLattice-Boltzmann-Methodemodelliert. Die Flüssigkeit wird über eineReibungskraft an die Monomere des Kugel-Feder-Modellsgekoppelt. Die Methode wird auf das Problem einer flexiblen EinzelketteimLösungsmittel angewendet. Der Vergleich derErgebnisse mit einer existierenden reinenMolekulardynamik-Simulationergibt Übereinstimmung innerhalb weniger Prozent,während die neueMethode um etwa einen Faktor 20 weniger CPU-Zeitbenötigt. Eine semiflexible Kette zeigt völliganderes Verhalten: Die Hydrodynamik spielt im Gegensatz zur flexiblen Ketteeineuntergeordnete Rolle. Simulationen von halbverdünntenLösungen flexibler Kettenbestehend aus insgesamt 50000 Monomeren zeigen zum erstenMal direkt dieAbschirmung sowohl der Volumenausschluss-Wechselwirkung alsauch derHydrodynamik.

Physikalische Eigenschaften kolloidaler Festkörper

In dieser Arbeit wird das Phasenverhalten fluid-kristallin und kristallin-amorph, die elastischen Eigenschaften, das Nukleationsverhalten und das diffusive Verhalten ladungsstabilisierter Kolloide aus sphärischen Polystyrol- und Polytetrafluorethylenpartikeln in wässerigen Dispersionsmitteln bei sehr geringem Fremdionengehalt systematisch untersucht. Die dazugehörigen Messungen werden an einer neuartigen selbstkonstruierten Kombinationslichtstreuapparatur durchgeführt, die die Meßmethoden der dynamischen Lichtstreuung, statischen Lichtstreuung und Torsionsresonanzspektroskopie in sich vereint. Die drei Meßmethoden sind optimal auf die Untersuchung kolloidaler Festkörper abgestimmt. Das elastische Verhalten der Festkörper kann sehr gut durch die Elastizitätstheorie atomarer Kristallsysteme beschrieben werden, wenn ein Debye-Hückel-Potential im Sinne des Poisson-Boltzmann-Cell Modells als Wechselwirkungspotential verwendet wird. Die ermittelten Phasengrenzen fluid-kristallin stehen erstmalig in guter Übereinstimmung mit Ergebnissen aus molekulardynamischen Simulationen, wenn die in der Torsionsresonanzspektroskopie bestimmte Wechselwirkungsenergie zu Grunde gelegt wird. Neben der Gleichgewichtsstruktur sind Aussagen zur Verfestigungskinetik möglich. Das gefundene Nukleationserhalten kann gut durch die klassische Nukleationstheorie beschrieben werden, wenn bei niedriger Unterkühlung der Schmelze ein Untergrund heterogener Keimung berücksichtigt wird. PTFE-Partikel zeigen auch bei hohen Konzentrationen nur geringfügige Mehrfachstreuung. Durch ihren Einsatz ist erstmals eine systematische Untersuchung des Glasübergangs in hochgeladenen ladungsstabilisierten Systemen möglich. Ladungsstabilisierte Kolloide unterscheiden sich vor allem durch ihre extreme Kristallisationstendenz von früher untersuchten Hartkugelsystemen. Bei hohen Partikelkonzentrationen (Volumenbrüche größer 10 Prozent) kann ein glasartiger Festkörper identifiziert werden, dessen physikalisches Verhalten die Existenz eines Bernalglases nahe legt. Der Glasübergang ist im Vergleich mit den in anderen kolloidalen Systemen und atomaren Systemen beobachteten Übergängen von sehr unterschiedlichem Charakter. Im verwendeten PTFE-System ist auf Grund der langreichweitigen stark repulsiven Wechselwirkung kein direkter Zugang des Glaszustandes aus der übersättigten Schmelze möglich. Der amorphe Festkörper entsteht hier aus einer nanokristallinen Phase. Die Keimrate steigt im zugänglichen Meßbereich annähernd exponentiell mit der Partikelanzahldichte, so daß man feststellen kann, daß der Glaszustand nicht durch Unterdrückung der Nukleation, sondern durch eine Forcierung derselben erreicht wird.

Optische Eigenschaften von Pi-konjugierten Modellsystemen

Der erste Teil der vorliegenden Arbeit beschäftigt sich mit der Modifikation der spontanen Emission im Strong Coupling Regime. Hierzu wurden geeignete optische, organische 'Halbleiter'-Mikroresonatoren präpariert.Zunächst wurde das verwendete optisch aktive Material, das J-Aggregat PIC, spektroskopisch charakterisiert. In Transmissionsmessungen an den Mikroresonatoren wurden Vakuum-Rabi-Splitting-Energien zwischen 26 und 52 meV bestimmt. Es wurde die Abhängigkeit der Vakuum-Rabi-Splitting-Energie von der räumlichen Position der optisch aktiven Schicht innerhalb des Mikroresonators untersucht. Durch eine Simulation konnte nachgewiesen werden, daß der Grund für die Asymmetrie des Rabi-Splittings bei einer Verstimmung von 0 meV durch die Asymmetrie des Absorptionsspektrums des optisch aktiven Materials gegeben ist. Weiterhin wurde die Photolumineszenz der Mikroresonatoren untersucht. Es konnte in temperaturabhängigen Messungen gezeigt werden, daß die hochenergetische Bande gegenüber der niederenergetischen Bande bei steigender Temperatur entsprechend einer Boltzmann-Verteilung stärker besetzt wird.Im zweiten Teil der Arbeit wurden die optischen Eigenschaften von dünnen Filmen N´N´Bis (2,6-xylyl)perylene-3,4:9,10-bis(dicarboximide) (DPP-PTCDI) abhängig von der Schichtdicke untersucht. Die Photolumineszenzspektren der dünnen Filme wurden mit zunehmender Dicke durch eine neue Bande bei kleineren Energien bestimmt. Diese Bande kann mit der Emission aus Fallenzuständen erklärt werden. Durch Photolumineszenz-Anregungsspektroskopie konnte gezeigt werden, daß die Fallenzustände auch im Grundzustand existieren. Exzimere können daher als Ursache ausgeschlossen werden.

Formfaktoren des Nukleons in relativistischer chiraler Störungstheorie

In der vorliegenden Dissertation wurden die Formfaktoren desNukleons in einer relativistischen Formulierung der chiralenStörungstheorie bis zur chiralen Ordnung O(q^4) berechnet. Im Einzelnen haben wir den skalaren Formfaktor, dieelektromagnetischen Formfaktoren F_1 und F_2 bzw. G_E und G_M, die beiden axialen Formfaktoren G_A und G_P und denPion-Nukleon-Formfaktor G_pi untersucht. Dabei kam ein neuesRenormierungsschema zur Anwendung, das in Zusammenarbeit mitGegelia, Japaridze und Scherer entwickelt wurde. Das Ziel der neuen Methode bestand darin, ein konsistentes chirales Zählschema für renormierte Diagramme der relativistischen Theorie zu entwickeln. Zu diesem Zweck werden über das MS-Schema hinausgehend zusätzlich reguläre Terme abgezogen und in den Niederenergiekonstanten der allgemeinsten effektiven Lagrange-Dichte absorbiert. Als Folge respektieren auch Schleifendiagramme mit inneren Nukleonlinien ähnlich wie im mesonischen Sektor ein chirales Zählschema. Die Ergebnisse wurden mit denen aus der Infrarotregularisierung von Becher und Leutwyler und bis zur Ordnung O(q^3) auch mit denen aus der chiralen Störungstheorie für schwere Baryonen (HBChPT) verglichen. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigte sich mit der Frage, ob der axiale Formfaktor in der Pionelektroproduktion nahe der Schwelle bestimmt werden kann. Dazu haben wir ein phänomenologisches Modell benutzt, das einerseits alle Symmetrien der Lagrange-Dichte der QCD respektiert, d.h. insbesondere die chirale Symmetrie und ihre spontane Brechung, andererseits relativ einfach nachzuvollziehendeRechnungen beinhaltet. Das Modell basierte auf denLagrange-Dichten der chiralen Störungstheorie mit derEinschränkung, dass wir keine Schleifengraphen berechnet haben. Wir benutzten diese Baumgraphennäherung, da die Schleifengraphen chirale Korrekturen zu unseren Ergebnissen liefern, die im Rahmen der HBChPT von Bernard, Kaiser und Meißner berechnet wurden und unter Kontrolle sind. Als ein Test des Modells haben wir die axialen Formfaktoren des Nukleons bestimmt und eine auf die chirale Symmetrie zurückgehende Beziehung zwischen diesen und demPion-Nukleon-Formfaktor überprüft. Der Hauptbestandteil dieses Teils der Arbeit bestand aus dem Test der so genannten Adlerschen Relation, die in Form einer chiralen Ward-Identität drei Greensche Funktionen miteinander verbindet. Wir haben explizit verifiziert, dass die Abhängigkeit der Pionelektroproduktionsamplitude vomaxialen Formfaktor eine direkte Konsequenz aus der chiralenSymmetrie ist. Durch einen Vergleich mit den Ergebnissen vonHaberzettl konnten wir schießlich feststellen, dass die sogenannte Eichableitungsmethode die chirale Symmetrie nichtrespektiert.