New methods for controlling twin configurations and characterizing twin boundaries in 5M Ni-Mn-Ga for the development of applications

Traditional methods for studying the magnetic shape memory (MSM) alloys Ni-Mn-Ga include subjecting the entire sample to a uniform magnetic field or completely actuating the sample mechanically. These methods have produced significant results in characterizing the MSM effect, the properties of Ni-Mn-Ga and have pioneered the development of applications from this material. Twin boundaries and their configuration within a Ni-Mn-Ga sample are a key component in the magnetic shape memory effect. Applications that are developed require an understanding of twin boundary characteristics and, more importantly, the ability to predictably control them. Twins have such a critical role that the twinning stress of a Ni-Mn-Ga crystal is the defining characteristic that indicates its quality and significant research has been conducted to minimize this property. This dissertation reports a decrease in the twinning stress, predictably controlling the twin configuration and characterizing the dynamics of twin boundaries. A reduction of the twinning stress is demonstrated by the discovery of Type II twins within Ni-Mn-Ga which have as little as 10% of the twinning stress of traditional Type I twins. Furthermore, new methods of actuating a Ni-Mn-Ga element using localized unidirectional or bidirectional magnetic fields were developed that can predictably control the twin configuration in a localized area of a Ni-Mn-Ga element. This method of controlling the local twin configuration was used in the characterization of twin boundary dynamics. Using a localized magnetic pulse, the velocity and acceleration of a single twin boundary were measured to be 82.5 m/s and 2.9 × 107 m/s2, and the time needed for the twin boundary to nucleate and begin moving was less than 2.8 μs. Using a bidirectional magnetic field from a diametrically magnetized cylindrical magnet, a highly reproducible and controllable local twin configuration was created in a Ni-Mn-Ga element which is the fundamental pumping mechanism in the MSM micropump that has been co-invented and extensively characterized by the author.

Finite size effects in superconducting nanocomposites

The present Master’s thesis presents theoretical description of the extraodinary behavior of the confined Indium nanoparticles. Superconducting properties of nanoparticles and nanocomposites are extensively reviewed. Special attention has been paid to phase fluctuation, shell and disordered effects. The experimental data has been obtained and provided by Dmitry Shamshur from Ioffe Physical Technical Institute. The investigated material represents a highly ordered system of silicate spheres filled with indium metal, where the In nanoparticles are interconnected between each other. Bulk indium is a superconductor with crititcal superconducting temperature Tc0 = 3:41 K. But indium nanoparticles exhibit different behavior, the critical temperature rise by approximately 20% up to 4.15 K. As well as transition of the indium particles to type-II superconductivity with high critical magnetic fields. Such diversity is explained by finite size effects which originate from nanosize of the samples.

Factors affecting DNA uptake by mammalian cells

The ability to introduce DNA and express custom DNA sequences in bacteria opened the door for improvements in a large number of fields including agriculture, pharmacology, medicine, nutrition, etc. The ability to introduce foreign DNA sequences into mammalian cells in an efficient manner would have a large impact on therapeutic applications especially gene therapy. The methods in use today suffer from low efficiencies and sometimes toxicity. In this work a number of factors were evaluated for their effect onONA uptake efficiency. The factors studied included exposure to sublethal concentration of hydrogen peroxide which have been show to lead to destabilisation ofthe lysosomes. These exposures have proven to be very toxic to cells when combined with either the calcium phosphate or the lipofectAMINE® transfection methods. Another factor evaluated was exposure to Electro-Magnetic Fields (EMF). This was fuelled by the fact that EMF have been shown to mediate a number of effects on cell structure and/or physiology. EMF exposure by itself was not sufficient to induce the cells to pick up the DNA, therefore its effect on calcium phosphate and lipofectAMINE® was tested. Although some positive results were obtained, the variability of these results exceeded by far any observed enhancements which discouraged any further work on EMF. Also tested was the possible effect the presence of the cytomegalovirus (CMV) sequence might have on DNA uptake (based on previous results in this lab). It was found that the presence ofCMV in the DNA sequence does not enhance uptake or slow down degradation of the internalised DNA. The final factor tested was the effect of basic amino acids on transfection efficiency. It was found that arginine can enhance DNA uptake by about 170% v/ith calcium phosphate and about 200% with LipofectAMINE®. A model was proposed to explain the effect of arginine as well as the lack of effect from other amino acids.

Simultaneous extraction of order parameters and orientational distribution fuctions from 31[superscript]P NMR spectra of magnetically partially oriented phospholipid bilayers

Order parameter profiles extracted from the NMR spectra of model membranes are a valuable source of information about their structure and molecular motions. To al1alyze powder spectra the de-Pake-ing (numerical deconvolution) ~echnique can be used, but it assumes a random (spherical) dist.ribution of orientations in the sample. Multilamellar vesicles are known to deform and orient in the strong magnetic fields of NMR magnets, producing non-spherical orientation distributions. A recently developed technique for simultaneously extracting the anisotropies of the system as well as the orientation distributions is applied to the analysis of partially magnetically oriented 31p NMR spectra of phospholipids. A mixture of synthetic lipids, POPE and POPG, is analyzed to measure distortion of multilamellar vesicles in a magnetic field. In the analysis three models describing the shape of the distorted vesicles are examined. Ellipsoids of rotation with a semiaxis ratio of about 1.14 are found to provide a good approximation of the shape of the distorted vesicles. This is in reasonable agreement with published experimental work. All three models yield clearly non-spherical orientational distributions, as well as a precise measure of the anisotropy of the chemical shift. Noise in the experimental data prevented the analysis from concluding which of the three models is the best approximation. A discretization scheme for finding stability in the algorithm is outlined

Analyse multi-échelle des champs magnétiques dans des nuages moléculaires à structures filmentaires

Associée à d'autres techniques observationnelles, la polarimétrie dans le visible ou dans le proche infrarouge permet d'étudier la morphologie des champs magnétiques à la périphérie de nombreuses régions de formation stellaire. A l'intérieur des nuages molécualires la morphologie des champs est connue par polarimétrie submillimétrique, mais rarement pour les mêmes régions. Habituellement, il manque une échelle spatiale intermédiaire pour pouvoir comparer correctement la morphologie du champ magnétique galactique avec celle située à l'intérieur des nuages moléculaires. -- Cette thèse propose les moyens nécessaires pour réaliser ce type d'analyse multi-échelle afin de mieux comprendre le rôle que peuvent jouer les champs magnétiques dans les processus de formation stellaire. La première analyse traite de la région GF 9. Vient ensuite une étude de la morphologie du champ magnétique dans les filaments OMC-2 et OMC-3 suivie d'une analyse multi-échelle dans le complexe de nuages moléculaires Orion A dont OMC-2 et OMC-3 font partie. -- La synthèse des résultats couvrant GF 9 et Orion A est la suivante. Les approches statistiques employées montrent qu'aux grandes échelles spatiales la morphologie des champs magnétiques est poloïdale dans la région GF 9, et probablement hélicoïdale dans la région Orion A. A l'échelle spatiale des enveloppes des nuages moléculaires, les champs magnétiques apparaissent alignés avec les champs situés à leur périphérie. A l'échelle spatiale des coeurs, le champ magnétique poloïdal environnant la région GF 9 est apparemment entraîné par le coeur en rotation, et la diffusion ambipolaire n'y semble pas effective actuellement. Dans Orion A, la morphologie des champs est difficilement détectable dans les sites actifs de formation d'OMC-2, ou bien très fortement contrainte par les effets de la gravité dans OMC-1. Des effets probables de la turbulence ne seont détectés dans aucune des régions observées. -- Les analyses multi-échelles suggèrent donc qu'indépendamment du stade évolutif et de la gamme de masse des régions de formation stellaires, le champ magnétique galactique subit des modifications de sa morphologie aux échelles spatiales comparables à celles des coeurs protostellaires, de la même façon que les propriétés structurelles des nuages moléculaires suivent des lois d'autosimilarité jusqu'à des échelles comparables à celles des coeurs.

Étude des aimants quantiques et supraconducteurs non conventionnels

Une première partie de ce mémoire portera sur l’analyse des états fondamentaux ma- gnétiques de deux composés isolants et magnétiquement frustrés SrDy2O4 et SrHo2O4. Une étude de la chaleur spécifique à basse température sous l’effet de champs magné- tiques de ces échantillons a été menée afin de détecter la présence de transitions de phases. L’utilisation d’un composé isotructurel non magnétique, le SrLu2O4, a permis l’isolement de la composante magnétique à la chaleur spécifique. Les comportements observés sont non conformes avec les transitions magnétiques conventionnelles. De plus, le calcul de l’entropie magnétique ne montre qu’un recouvrement partiel de l’entropie associée à un système d’ions magnétiques. En second lieu, une analyse des oscillations quantiques de Haas-van Alphen a été effectuée dans le LuCoIn5, composé apparenté au supraconducteur à fermions lourds CeCoIn5. Les résultats obtenus montrent une topologie de la surface de Fermi très différente comparativement aux CeCoIn5 et LaCoIn5, ayant un comportement beaucoup plus tridimensionnel sans les cylindres caractéristiques présents chez les autres membres de cette famille. Finalement, le montage d’un système de détection PIXE a permis l’analyse nucléaire d’échantillons afin de déterminer la concentration de chacun des éléments les constituant. L’analyse a été effectuée sur une série d’échantillons YbxCe1−xCoIn5 dont le changement de concentration a des effets importants sur les propriétés du système.

Représentation corticale de la mémoire à court-terme tactile chez l'humain pour une stimulation de la main : étude par magnétoencéphalographie

L'activité cérébrale, reliée spécifiquement à la rétention d'information en mémoire à court-terme tactile, a été investiguée à l'aide de l'enregistrement des champs magnétiques produits par l'activité neuronale générée durant la période de rétention par une tâche de mémoire tactile. Une, deux, trois ou quatre positions, sur une possibilité de huit sur les phalangines et les phalangettes, de la main gauche ou droite, lors de blocs d'essai différents, ont été stimulées simultanément. Le patron de stimulation tactile devait être retenu pendant 1800 ms avant d'être comparé avec un patron test qui était, soit identique, soit différent par une seule position. Nos analyses se sont concentrées sur les régions du cerveau qui montraient une augmentation monotone du niveau d'activité soutenu durant la période de rétention pour un nombre croissant de positions à retenir dans le patron de stimulation. Ces régions ont plus de chance de participer à la rétention active de l'information à maintenir en mémoire à court-terme tactile. Le gyrus cingulaire (BA32), le gyrus frontal supérieur droit (BA 8), le precuneus gauche (BA 7, 19), le gyrus postcentral gauche (BA 7), le gyrus precentral droit (BA 6), le gyrus frontal supérieur gauche (BA 6) et le lobule pariétal inférieur droit (BA 40) semblent tous impliqués dans un réseau mnésique qui maintient les informations sensorielles tactiles dans un système de mémoire à court-terme spécialisé pour l'information tactile.

Recherche de champs magnétiques chez les étoiles Wolf-Rayet par l'analyse d'observations spectropolarimétriques.

Cette thèse de doctorat présente les résultats d'un relevé spectropolarimétrique visant la détection directe de champs magnétiques dans le vent d'étoiles Wolf-Rayet (WR). Les observations furent entièrement obtenues à partir du spectropolarimètre ESPaDOnS, installé sur le télescope de l'observatoire Canada-France-Hawaii. Ce projet débuta par l'observation d'un étoile très variable de type WN4 appelée EZ CMa = WR6 = HD 50896 et se poursuivit par l'observation de 11 autres étoiles WR de notre galaxie. La méthode analytique utilisée dans cette étude vise à examiner les spectres de polarisation circulaire (Stokes V) et à identifier, au travers des raies d'émission, les signatures spectrales engendrées par la présence de champs magnétiques de type split monopole dans les vents des étoiles observées. Afin de pallier à la présence de polarisation linéaire dans les données de polarisation circulaire, le cross-talk entre les spectres Stokes Q et U et le spectre Stokes V fut modélisé et éliminé avant de procéder à l'analyse magnétique. En somme, aucun champ magnétique n'est détecté de manière significative dans les 12 étoiles observées. Toutefois, une détection marginale est signalée pour les étoiles WR134, WR137 et WR138 puisque quelques-unes de leur raies spectrales semblent indiquer la présence d'une signature magnétique. Pour chacune de ces trois étoiles, la valeur la plus probable du champ magnétique présent dans le vent stellaire est respectivement de B ~ 200, 130 et 80 G. En ce qui concerne les autres étoiles pour lesquelles aucune détection magnétique ne fut obtenue, la limite supérieure moyenne de l'intensité du champ qui pourrait être présent dans les données, sans toutefois être détecté, est évaluée à 500 G. Finalement, les résultats de cette étude ne peuvent confirmer l'origine magnétique des régions d'interaction en co-rotation (CIR) observées chez plusieurs étoiles WR. En effet, aucun champ magnétique n'est détecté de façon convaincante chez les quatre étoiles pour lesquelles la présence de CIR est soupçonnée.

Lien entre l'activité pariéto-occipitale enregistrée pendant une tâche de mémoire à court terme visuelle et les habiletés mathématiques : une étude en magnétoencéphalographie

La mémoire à court terme visuelle (MCTv) est un système qui permet le maintien temporaire de l’information visuelle en mémoire. La capacité en mémoire à court terme se définit par le nombre d’items qu’un individu peut maintenir en mémoire sur une courte période de temps et est limitée à environ quatre items. Il a été démontré que la capacité en MCTv et les habiletés mathématiques sont étroitement liées. La MCTv est utile dans beaucoup de composantes liées aux mathématiques, comme la résolution de problèmes, la visualisation mentale et l’arithmétique. En outre, la MCTv et le raisonnement mathématique font appel à des régions similaires du cerveau, notamment dans le cortex pariétal. Le sillon intrapariétal (SIP) semble être particulièrement important, autant dans la réalisation de tâches liées à la MCTv qu’aux habiletés mathématiques. Nous avons créé une tâche de MCTv que 15 participants adultes en santé ont réalisée pendant que nous enregistrions leur activité cérébrale à l’aide de la magnétoencéphalographie (MEG). Nous nous sommes intéressés principalement à la composante SPCM. Une évaluation neuropsychologique a également été administrée aux participants. Nous souhaitions tester l’hypothèse selon laquelle l’activité cérébrale aux capteurs pariéto-occipitaux pendant la tâche de MCTv en MEG sera liée à la performance en mathématiques. Les résultats indiquent que l’amplitude de l’activité pariéto-occipitale pendant la tâche de MCTv permet de prédire les habiletés mathématiques ainsi que la performance dans une tâche de raisonnement perceptif. Ces résultats permettent de confirmer le lien existant entre les habiletés mathématiques et le fonctionnement sous-jacent à la MCTv.

Étude du champ magnétique interne de deux matériaux magnétiques et d'un supraconducteur sans symétrie d'inversion.

Cette thèse est divisée en trois parties. Une première section présente les résultats de l'étude de la formation de polarons magnétiques liés (BMP) dans le ferroaimant EuB6 par diffusion de neutrons à petits angles (SANS). La nature magnétique du système ferromagnétique est observée sous une température critique de 15K. La signature des BMP n'apparaît pas dans la diffusion de neutrons, mais ces mesures permettent de confirmer une limite inférieure de 100\AA à la longueur de cohérence des BMP (xi_{Lower}). Dans un second temps, l'étude du LaRhSi3, un supraconducteur sans symétrie d'inversion, par muSR et ZF-muSR nous permet de sonder le comportement magnétique du système dans la phase supraconductrice. Aucun champ magnétique interne n'a été détecté en ZF-muSR sous la température critique (T_c = 2.2K). Cela indique que la phase supraconductrice ne porte pas de moment cinétique intrinsèque. L'analyse du spectre d'asymétrie sous l'application d'un champ magnétique externe nous apprend que le système est faiblement type II par l'apparition de la signature de domaines magnétiques typique d'un réseau de vortex entre H_{c1}(0) et H_{c2}(0), respectivement de 80+/- 5 et 169.0 +/- 0.5 G. Finalement, la troisième section porte sur l'étude du champ magnétique interne dans l'antiferroaimant organique NIT-2Py. L'observation d'une dépendance en température des champs magnétiques internes aux sites d'implantation muonique par ZF-muSR confirme la présence d'une interaction à longue portée entre les moments cinétiques moléculaires. Ces valeurs de champs internes, comparées aux calculs basés sur la densité de spins obtenue par calculs de la théorie de la fonctionnelle de la densité, indiquent que la moitié des molécules se dimérisent et ne contribuent pas à l'ordre antiferromagnétique. La fraction des molécules contribuant à l'ordre antiferromagnétique sous la température critique (T_c = 1.33 +/- 0.01K) forme des chaines uniformément polarisées selon l'axe (1 0 -2). Ces chaines interagissent antiferromagnétiquement entre elles le long de l'axe (0 1 0) et ferromagnétiquement entre les plan [-1 0 2].

Reconstruction des mouvements du plasma dans une région active solaire à l'aide de données d'observation et d'une minimisation Lagrangienne

À ce jour, les différentes méthodes de reconstruction des mouvements du plasma à la surface du Soleil qui ont été proposées présupposent une MHD idéale (Welsch et al., 2007). Cependant, Chae & Sakurai (2008) ont montré l’existence d’une diffusivité magnétique turbulente à la photosphère. Nous introduisons une généralisation de la méthode du Minimum Energy Fit (MEF ; Longcope, 2004) pour les plasmas résistifs. Le Resistive Minimum Energy Fit (MEF-R ; Tremblay & Vincent, 2014) reconstruit les champs de vitesse du plasma et la diffusivité magnétique turbulente qui satisfont à l’équation d’induction magnétique résistive et qui minimisent une fonctionnelle analogue à l’énergie cinétique totale. Une séquence de magnétogrammes et de Dopplergrammes sur les régions actives AR 9077 et AR 12158 ayant chacune produit une éruption de classe X a été utilisée dans MEF-R pour reconstruire les mouvements du plasma à la surface du Soleil. Les séquences temporelles des vitesses et des diffusivités magnétiques turbulentes calculées par MEF-R sont comparées au flux en rayons X mous enregistré par le satellite GOES-15 avant, pendant et après l’éruption. Pour AR 12158, nous observons une corrélation entre les valeurs significatives de la diffusivité magnétique turbulente et de la vitesse microturbulente pour les champs magnétiques faibles.

Studies on Fluxon Dynamics in Coupled Josephson Junctions

The thesis deals with detailed theoretical analysis of fluxon dynamics in single and in coupled Josephson junctions of different geometries under various internal and external conditions. The main objective of the present work is to investigate the properties of narrow Long Josephson junctions (LJJs) and to discuss the intriguing physics. In this thesis, Josephson junctions of three types of geometries, viz, rectangular, semiannular and quarter annular geometries in single and coupled format are studied to implement various fluxon based devices. Studies presented in this thesis reveal that mulistacked junctions are extremely useful in the fabrication of various super conducting electronic devices. The stability of the dynamical mode and therefore the operational stability of the proposed devices depend on parameters such as coupling strength, external magnetic fields, damping parameters etc. Stacked junctions offer a promising way to construct high-TC superconducting electronic components. Exploring the complex dynamics of fluxons in coupled junctions is a challenging and important task for the future experimental and theoretical investigations

Metglas thin film based magnetostrictive transducers for use in long period fibre grating sensors

Metallic glass alloy Metglas 2826 MB based amorphous magnetic thin films were fabricated by the thermal evaporation technique. Transmission electron micrographs and electron diffraction pattern showed the amorphous nature of the films. Composition of the films was analyzed employing x-ray photoelectron spectroscopy and energy dispersive x-ray spectroscopy techniques. The film was integrated to a long period fibre grating. It was observed that the resonance wavelength of the fibre grating decreased with an increase in the magnetic field. Change in the resonance wavelength was minimal at higher magnetic fields. Field dependent magnetostriction values revealed the potential application of these films in magnetostrictive sensor devices

Topological Invariants in Hydrodynamics and Hydromagnetics

In this thesis we are studying possible invariants in hydrodynamics and hydromagnetics. The concept of flux preservation and line preservation of vector fields, especially vorticity vector fields, have been studied from the very beginning of the study of fluid mechanics by Helmholtz and others. In ideal magnetohydrodynamic flows the magnetic fields satisfy the same conservation laws as that of vorticity field in ideal hydrodynamic flows. Apart from these there are many other fields also in ideal hydrodynamic and magnetohydrodynamic flows which preserves flux across a surface or whose vector lines are preserved. A general study using this analogy had not been made for a long time. Moreover there are other physical quantities which are also invariant under the flow, such as Ertel invariant. Using the calculus of differential forms Tur and Yanovsky classified the possible invariants in hydrodynamics. This mathematical abstraction of physical quantities to topological objects is needed for an elegant and complete analysis of invariants.Many authors used a four dimensional space-time manifold for analysing fluid flows. We have also used such a space-time manifold in obtaining invariants in the usual three dimensional flows.In chapter one we have discussed the invariants related to vorticity field using vorticity field two form w2 in E4. Corresponding to the invariance of four form w2 ^ w2 we have got the invariance of the quantity E. w. We have shown that in an isentropic flow this quantity is an invariant over an arbitrary volume.In chapter three we have extended this method to any divergence-free frozen-in field. In a four dimensional space-time manifold we have defined a closed differential two form and its potential one from corresponding to such a frozen-in field. Using this potential one form w1 , it is possible to define the forms dw1 , w1 ^ dw1 and dw1 ^ dw1 . Corresponding to the invariance of the four form we have got an additional invariant in the usual hydrodynamic flows, which can not be obtained by considering three dimensional space.In chapter four we have classified the possible integral invariants associated with the physical quantities which can be expressed using one form or two form in a three dimensional flow. After deriving some general results which hold for an arbitrary dimensional manifold we have illustrated them in the context of flows in three dimensional Euclidean space JR3. If the Lie derivative of a differential p-form w is not vanishing,then the surface integral of w over all p-surfaces need not be constant of flow. Even then there exist some special p-surfaces over which the integral is a constant of motion, if the Lie derivative of w satisfies certain conditions. Such surfaces can be utilised for investigating the qualitative properties of a flow in the absence of invariance over all p-surfaces. We have also discussed the conditions for line preservation and surface preservation of vector fields. We see that the surface preservation need not imply the line preservation. We have given some examples which illustrate the above results. The study given in this thesis is a continuation of that started by Vedan et.el. As mentioned earlier, they have used a four dimensional space-time manifold to obtain invariants of flow from variational formulation and application of Noether's theorem. This was from the point of view of hydrodynamic stability studies using Arnold's method. The use of a four dimensional manifold has great significance in the study of knots and links. In the context of hydrodynamics, helicity is a measure of knottedness of vortex lines. We are interested in the use of differential forms in E4 in the study of vortex knots and links. The knowledge of surface invariants given in chapter 4 may also be utilised for the analysis of vortex and magnetic reconnections.

Metglas thin film based magnetostrictive transducers for use in long period fibre grating sensors

Metallic glass alloy Metglas 2826 MB based amorphous magnetic thin films were fabricated by the thermal evaporation technique. Transmission electron micrographs and electron diffraction pattern showed the amorphous nature of the films. Composition of the films was analyzed employing X-ray photoelectron spectroscopy and energy dispersive X-ray spectroscopy techniques. The film was integrated to a long period fibre grating. It was observed that the resonance wavelength of the fibre grating decreased with an increase in the magnetic field. Change in the resonance wavelength was minimal at higher magnetic fields. Field dependent magnetostriction values revealed the potential application of these films in magnetostrictive sensor devices.