Voltage Controlled Intertwined Spiral Arrays for Reconfigurable Metasurfaces

Reconfigurable bistate metasurfaces composed of interwoven spiral arrays with embedded pin diodes are proposed for single and dual polarisation operation. The switching capability is enabled by pin diodes that change the array response between transmission and reflection modes at the specified frequencies. The spiral conductors forming the metasurface also supply the dc bias for controlling pin diodes, thus avoiding the need of additional bias circuitry that can cause parasitic interference and affect the metasurface response. The simulation results show that proposed active metasurfaces exhibit good isolation between transmission and reflection states, while retaining excellent angular and polarisation stability with the large fractional bandwidth (FBW) inherent to the original passive arrays. © 2014 A. Vallecchi et al.

Optical and magneto-optical properties of gold core cobalt shell magnetoplasmonic nanowire arrays

In this work we present core–shell nanowire arrays of gold coated with a nanometric layer of cobalt. Despite the extremely small Co volume, these core–shell nanowires display large magneto-optical activity and plasmonic resonance determined by the geometry of the structure. Therefore, we are able to tune both the plasmonic and magneto-optical response in the visible range. Through optical and ellipsometric measurements in transmission, and applying a magnetic field to the sample, it is possible to modulate the value of the phase angle (Del {Δ}) between the S and P polarised components. It was found that the core–shell sample produced an order of magnitude larger variation in Del with changing magnetic field direction, compared with hollow cobalt tubes. The enhancement of magneto optical properties through the plasmonic nature of the gold core is complemented with the ability to induce magnetic influence over optical properties via an externally applied field. Moreover, we demonstrate for the first time the ability to use the remanent magnetisation of the Co, in conjunction with the optical properties defined by the Au, to observe remanent optical states in this uniquely designed structure. This new class of magnetoplasmonic metamaterial has great potential in a wide range of applications, from bio-sensing to data storage due to the tuneable nature of multiple resonance modes and dual functionality.

Balls to the wall: How acoustic information from a ball in motion guides interceptive movement in people with Parkinson’s disease

Previous research has shown that Parkinson's disease (PD) patients can increase the speed of their movement when catching a moving ball compared to when reaching for a static ball (Majsak et al., 1998). A recent model proposed by Redgrave et al. (2010) explains this phenomenon with regard to the dichotomic organization of motor loops in the basal ganglia circuitry and the role of sensory micro-circuitries in the control of goal-directed actions. According to this model, external visual information that is relevant to the required movement can induce a switch from a habitual control of movement toward an externally-paced, goal-directed form of guidance, resulting in augmented motor performance (Bienkiewicz et al., 2013). In the current study, we investigated whether continuous acoustic information generated by an object in motion can enhance motor performance in an arm reaching task in a similar way to that observed in the studies of Majsak et al. (1998, 2008). In addition, we explored whether the kinematic aspects of the movement are regulated in accordance with time to arrival information generated by the ball's motion as it reaches the catching zone. A group of 7 idiopathic PD (6 male, 1 female) patients performed a ball-catching task where the acceleration (and hence ball velocity) was manipulated by adjusting the angle of the ramp. The type of sensory information (visual and/or auditory) specifying the ball's arrival at the catching zone was also manipulated. Our results showed that patients with PD demonstrate improved motor performance when reaching for a ball in motion, compared to when stationary. We observed how PD patients can adjust their movement kinematics in accordance with the speed of a moving target, even if vision of the target is occluded and patients have to rely solely on auditory information. We demonstrate that the availability of dynamic temporal information is crucial for eliciting motor improvements in PD. Furthermore, these effects appear independent from the sensory modality through-which the information is conveyed. 

New multi-stage DC-DC converters for grid-connected photovoltaic systems

Renewable energy is high on international and national agendas. Currently, grid-connected photovoltaic (PV) systems are a popular technology to convert solar energy into electricity. Existing PV panels have a relatively low and varying output voltage so that the converter installed between the PVs and the grid should be equipped with high step-up and versatile control capabilities. In addition, the output current of PV systems is rich in harmonics which affect the power quality of the grid. In this paper, a new multi-stage hysteresis control of a step-up DC-DC converter is proposed for integrating PVs into a single-phase power grid. The proposed circuitry and control method is experimentally validated by testing on a 600W prototype converter. The developed technology has significant economic implications and could be applied to many distributed generation (DG) systems, especially for the developing countries which have a large number of small PVs connected to their single-phase distribution network. 

In situ diagnostics and prognostics of solder fatigue in IGBT modules for electric vehicle drives

This paper proposes an in situ diagnostic and prognostic (D&P) technology to monitor the health condition of insulated gate bipolar transistors (IGBTs) used in EVs with a focus on the IGBTs' solder layer fatigue. IGBTs' thermal impedance and the junction temperature can be used as health indicators for through-life condition monitoring (CM) where the terminal characteristics are measured and the devices' internal temperature-sensitive parameters are employed as temperature sensors to estimate the junction temperature. An auxiliary power supply unit, which can be converted from the battery's 12-V dc supply, provides power to the in situ test circuits and CM data can be stored in the on-board data-logger for further offline analysis. The proposed method is experimentally validated on the developed test circuitry and also compared with finite-element thermoelectrical simulation. The test results from thermal cycling are also compared with acoustic microscope and thermal images. The developed circuitry is proved to be effective to detect solder fatigue while each IGBT in the converter can be examined sequentially during red-light stopping or services. The D&P circuitry can utilize existing on-board hardware and be embedded in the IGBT's gate drive unit.

A high performance IIR digital filter chip

The design of a high-performance IIR (infinite impulse response) digital filter is described. The chip architecture operates on 11-b parallel, two's complement input data with a 12-b parallel two's complement coefficient to produce a 14-b two's complement output. The chip is implemented in 1.5-µm, double-layer-metal CMOS technology, consumes 0.5 W, and can operate up to 15 Msample/s. The main component of the system is a fine-grained systolic array that internally is based on a signed binary number representation (SBNR). Issues addressed include testing, clock distribution, and circuitry for conversion between two's complement and SBNR.

Recent advances in thermoregulation

Thermoregulation is the maintenance of a relatively constant core body temperature. Humans normally maintain a body temperature at 37°C, and maintenance of this relatively high temperature is critical to human survival. This concept is so important that control of thermoregulation is often the principal example cited when teaching physiological homeostasis. A basic understanding of the processes underpinning temperature regulation is necessary for all undergraduate students studying biology and biology-related disciplines, and a thorough understanding is necessary for those students in clinical training. Our aim in this review is to broadly present the thermoregulatory process taking into account current advances in this area. First, we summarize the basic concepts of thermoregulation and subsequently assess the physiological responses to heat and cold stress, including vasodilation and vasoconstriction, sweating, nonshivering thermogenesis, piloerection, shivering, and altered behavior. Current research is presented concerning the body's detection of thermal challenge, peripheral and central thermoregulatory control mechanisms, including brown adipose tissue in adult humans and temperature transduction by the relatively recently discovered transient receptor potential channels. Finally, we present an updated understanding of the neuroanatomic circuitry supporting thermoregulation.

Millimeter Wave Amplitude Comparison Monopulse Using a Waveguide Rotman Lens

A 94 GHz waveguide Rotman lens is described which can be used to implement an amplitude comparison monopulse RADAR. In transmit mode, adjacent dual beam ports are excited with equal amplitude and phase to form a sum radiation pattern, and in receive mode, the outputs of the beam port pairs are combined using magic tees to provide a sum and a difference signal which can be used to calculate an angular error estimate for target acquisition and tracking. This approach provides an amplitude comparison monopulse system which can be scanned in azimuth and which has a low component count, with no requirement for phase shift circuitry in the array feed lines, making it suitable for mm-wave frequencies. A 12 input (beam ports), 12 output (array ports) lens is designed using CST Microwave Studio, and the predicted results are presented.

Hyperbolic Polaritonic Crystals Based on Nanostructured Nanorod Metamaterials

Surface plasmon polaritons usually exist on a few suitable plasmonic materials; however, nanostructured plasmonic metamaterials allow a much broader range of optical properties to be designed. Here, bottom-up and top-down nanostructuring are combined, creating hyperbolic metamaterial-based photonic crystals termed hyperbolic polaritonic crystals, allowing free-space access to the high spatial frequency modes supported by these metamaterials.

Simplified, high performance transceiver for phase modulated RFID applications

In this paper results are presented for a simple yet highly sensitive transceiver for phase modulated RFID applications. This is an advance on other simple RFID readers which can only operate with amplitude shift keyed (ASK) signals. Simple circuitry is achieved by the use of a novel injection locked PLL configuration which replaces the standard superhet type architecture normally used. The transceiver is shown to operate with a number of phase modulation modes which have certain advantages relating to distance to target. The paper concludes with practical results obtained for the transceiver when operated within a backscatter RFID application. A unique advantage of this transceiver is its complete immunity to the problem of TX/RX isolation, allowing for long ranges, estimated to be in the region of 80m at 1 GHz, to be achieved even in the presence of a simple backscatter target.

Real-space grids and the Octopus code as tools for the development of new simulation approaches for electronic systems

Real-space grids are a powerful alternative for the simulation of electronic systems. One of the main advantages of the approach is the flexibility and simplicity of working directly in real space where the different fields are discretized on a grid, combined with competitive numerical performance and great potential for parallelization. These properties constitute a great advantage at the time of implementing and testing new physical models. Based on our experience with the Octopus code, in this article we discuss how the real-space approach has allowed for the recent development of new ideas for the simulation of electronic systems. Among these applications are approaches to calculate response properties, modeling of photoemission, optimal control of quantum systems, simulation of plasmonic systems, and the exact solution of the Schrödinger equation for low-dimensionality systems.

Auditory cueing in Parkinson's patients with freezing of gait. What matters most: action-relevance or cue-continuity?

Gait disturbances are a common feature of Parkinson’s disease, one of the most severe being freezing of gait. Sensory cueing is a common method used to facilitate stepping in people with Parkinson’s. Recent work has shown that, compared to walking to a metronome, Parkinson’s patients without freezing of gait (nFOG) showed reduced gait variability when imitating recorded sounds of footsteps made on gravel. However, it is not known if these benefits are realised through the continuity of the acoustic information or the action-relevance. Furthermore, no study has examined if these benefits extend to PD with freezing of gait. We prepared four different auditory cues (varying in action-relevance and acoustic continuity) and asked 19 Parkinson’s patients (10 nFOG, 9 with freezing of gait (FOG)) to step in place to each cue. Results showed a superiority of action-relevant cues (regardless of cue-continuity) for inducing reductions in Step coefficient of variation (CV). Acoustic continuity was associated with a significant reduction in Swing CV. Neither cue-continuity nor action-relevance was independently sufficient to increase the time spent stepping before freezing. However, combining both attributes in the same cue did yield significant improvements. This study demonstrates the potential of using action-sounds as sensory cues for Parkinson’s patients with freezing of gait. We suggest that the improvements shown might be considered audio-motor ‘priming’ (i.e., listening to the sounds of footsteps will engage sensorimotor circuitry relevant to the production of that same action, thus effectively bypassing the defective basal ganglia).

Analysis of multirate behavior in electronic systems

Esta tese insere-se na área da simulação de circuitos de RF e microondas, e visa o estudo de ferramentas computacionais inovadoras que consigam simular, de forma eficiente, circuitos não lineares e muito heterogéneos, contendo uma estrutura combinada de blocos analógicos de RF e de banda base e blocos digitais, a operar em múltiplas escalas de tempo. Os métodos numéricos propostos nesta tese baseiam-se em estratégias multi-dimensionais, as quais usam múltiplas variáveis temporais definidas em domínios de tempo deformados e não deformados, para lidar, de forma eficaz, com as disparidades existentes entre as diversas escalas de tempo. De modo a poder tirar proveito dos diferentes ritmos de evolução temporal existentes entre correntes e tensões com variação muito rápida (variáveis de estado activas) e correntes e tensões com variação lenta (variáveis de estado latentes), são utilizadas algumas técnicas numéricas avançadas para operar dentro dos espaços multi-dimensionais, como, por exemplo, os algoritmos multi-ritmo de Runge-Kutta, ou o método das linhas. São também apresentadas algumas estratégias de partição dos circuitos, as quais permitem dividir um circuito em sub-circuitos de uma forma completamente automática, em função dos ritmos de evolução das suas variáveis de estado. Para problemas acentuadamente não lineares, são propostos vários métodos inovadores de simulação a operar estritamente no domínio do tempo. Para problemas com não linearidades moderadas é proposto um novo método híbrido frequência-tempo, baseado numa combinação entre a integração passo a passo unidimensional e o método seguidor de envolvente com balanço harmónico. O desempenho dos métodos é testado na simulação de alguns exemplos ilustrativos, com resultados bastante promissores. Uma análise comparativa entre os métodos agora propostos e os métodos actualmente existentes para simulação RF, revela ganhos consideráveis em termos de rapidez de computação.

Métodos químicos de modificação superficial de nanomateriais

O objectivo geral desta tese foi investigar diversas estratégias de síntese de nanocompósitos híbridos de matriz polimérica, contendo nanopartículas inorgânicas com funcionalidades diversas. O interesse nestes nanocompósitos multifuncionais consiste no enorme potencial que apresentam para novas aplicações tecnológicas, tais como em optoelectrónica ou em medicina. No capítulo introdutório, apresenta-se uma revisão das propriedades de nanopartículas inorgânicas e nanoestruturas obtidas a partir destas, métodos de preparação e de modificação química superficial, incluindo a formação de nanocompósitos poliméricos, bem como a aplicação destas nanoestruturas em medicina e biologia. O estudo das propriedades de nanopartículas de ouro é um importante tema em Nanociência e Nanotecnologia. As propriedades singulares destas NPs apresentam uma estreita relação com o tamanho, morfologia, arranjo espacial e propriedades dieléctricas do meio circundante. No capítulo 2, é reportada a preparação de nanocompósitos utilizando miniemulsões de poli-estireno (PS) e poli-acrilato de butilo (PBA) contendo nanopartículas de ouro revestidas com moléculas orgânicas. As propriedades ópticas destas estruturas híbridas são dominadas por efeitos plasmónicos e dependem de uma forma crítica na morfologia final dos nanocompósitos. Em particular, demonstra-se aqui a possibilidade de ajustar a resposta óptica, na região do visível do espectro, através do arranjo das nanopartículas na matriz polimérica, e consequentemente o acoplamento plasmónico, utilizando nanopartículas resultantes da mesma síntese. Na generalidade, é reportada aqui uma estratégia alternativa para modificar a resposta óptica de nanocompósitos, através do controlo da morfologia do compósito final face à estratégia mais comum que envolve o controlo das características morfológicas das partículas metálicas utilizadas como materiais de partida. No Capítulo 3 apresentam-se os resultados da preparação de vários compósitos poliméricos com propriedades magnéticas de interesse prático. Em particular discute-se a síntese e propriedades magnéticas de nanopartículas de ligas metálicas de cobalto-platina (CoPt3) e ferro-platina (FePt3), assim como de óxidos de ferro (magnetite Fe3O4 e maguemite g-Fe2O3) e respectivos nanocompósitos poliméricos. A estratégia aqui descrita constitui uma via interessante de desenvolver materiais nanocompósitos com potencial aplicação em ensaios de análise de entidades biológicas in vitro, que pode ser estendido a outros materiais magnéticos. Como prova de conceito, demonstrase a bioconjugação de nanocompósitos de CoPt3/PtBA com anticorpos IgG de bovino. No capítulo 4 é descrita a preparação e propriedades ópticas de pontos quânticos (“quantum dots”, QDs) de CdSe/ZnS assim como dos seus materiais nanocompósitos poliméricos, CdSe/ZnS-PBA. Como resultado das suas propriedades ópticas singulares, os QDs têm sido extensivamente investigados como materiais inorgânicos para aplicações em dispositivos ópticos. A incorporação de QDs em matrizes poliméricas é de particular interesse, nomeadamente devido ao comportamento óptico do nanocompósito final parecer estar dependente do tipo de polímero utilizado. As propriedades ópticas dos nanocompósitos foram estudadas sistematicamente por medidas de fotoluminescência. Os nanocompósitos apresentam propriedades interessantes para potenciais aplicações biológicas em diagnóstico in vitro, funcionando como sondas biológicas luminescentes.

Nanocomposites for SERS : synthesis, optical and analytical studies

Esta tese descreve diversas estratégias preparativas assim como estudos de caracterização de nanocompósitos e outras nanoestruturas, para a análise em espectroscopia de Raman com intensificação por superfície (SERS). Em particular foi estudada a incorporação de nanopartículas (NPs) metálicas de Ag e Au em matrizes poliméricas visando avaliar o potencial destes materiais como novos substratos para SERS na deteção de moléculas. O primeiro capítulo consiste numa revisão bibliográfica, onde é destacado o desenvolvimento de novos substratos para SERS utilizando nomeadamente nanopartículas de Ag, Au e Cu. Numa primeira fase, esta secção apresenta uma breve descrição sobre as propriedades plasmónicas dos metais utilizados e alguns conceitos básicos de espectroscopia de difusão de Raman. Posteriormente, descreve-se em mais detalhe o efeito de SERS, revendo-se sobretudo a química de materiais descrita em trabalhos recentes tendo em conta a sua utilização como novas plataformas para análise química por SERS. O capítulo 2 descreve a síntese e caracterização de nanocompósitos de poli(acrilato de butilo) obtidos através de polimerização in situ por miniemulsão na presença de nanopartículas de Ag. Os nanocompósitos Ag/PtBA foram investigados como novos substratos de SERS visando o desenvolvimento de novas plataformas versáteis para deteção molecular. Estudos como o efeito da temperatura, pH e pressão foram investigados, visando a compreensão do efeito da matriz polimérica na difusão/adsorção do analito (ácido tiossalicílico) na superfície metálica. No capítulo 3, os nanocompósitos de Ag/PtBA descritos anteriormente foram investigados detalhadamente como substratos para bio-deteção em SERS, usando a adenina como analito modelo. Os nanocompósitos foram submetidos a vários tratamentos pré-analíticos para a bio-deteção da adenina. Foram realizadas experiências nos sistemas Ag/PtBA de modo a obter informação sobre o efeito do pH na deteção deste analito em soluções aquosas diluídas. Os nanocompósitos poliméricos obtidos apresentam a vantagem de poderem ser processados utilizando tecnologia disponível. Pelo que o estudo das suas propriedades térmicas é especialmente relevante. Assim, a influência da incorporação de NPs inorgânicas na temperatura de transição vítrea (Tg) do polímero PtBA foi investigada por meio de calorimetria diferencial de varrimento (DSC) e os resultados são apresentados no capítulo 4. Estes estudos descrevem efeitos na Tg do PtBA quando analisado em nanocompósitos obtidos por diferentes métodos (métodos ex situ e in situ), contendo nanopartículas metálicas com diferentes distribuições de tamanho e presentes em quantidade variável na matriz polimérica. Estes estudos possibilitaram relacionar a influência das NPs metálicas na mobilidade das cadeias poliméricas com as propriedades térmicas observadas. O capítulo 5 descreve a preparação e caracterização de materiais compósitos de base polimérica (PtBA) e NPs de Au com morfologia de bastonetes (NRs). Estes materiais foram investigados como substratos para SERS tendo originado um bom sinal de SERS na análise de 2-2’-ditiodipiridina. Investigouse igualmente o efeito da variação da morfologia das NPs metálicas (esferas e bastonetes), a razão de aspecto (R.A.) dos bastonetes e o tipo de matriz polimérica (PtBA e PnBA) no sinal de SERS. No capítulo 6 é descrita a utilização da técnica de SERS como método alternativo para a monitorização de alterações morfológicas de coloides de NRs de Au. Os NRs de Au foram recolhidos em diferentes fases de oxidação promovida pela presença de K2S2O8 e a sua sensibilidade como substratos de SERS foi avaliada utilizando o anião dietilditiocarbamato (DTC) como analito modelo. Os estudos foram realizados utilizando as linhas de excitação a 1064 nm e 633 nm. Este estudo demonstrou que a sensibilidade dos NRs de Au como substratos de SERS diminui à medida que a sua R.A. diminui devido à competitividade do CTAB (estabilizante) e o DTC pela superfície dos NRs. É de salientar que este processo é acompanhado por um diferente comportamento em termos de adsorção dos dois tautómeros do DTC à superfície do metal. O capítulo 7 introduz um novo tipo de compósitos para SERS, utilizando matrizes biopoliméricas. Assim, descreve-se a preparação e caracterização de nanocompósitos de carragenano e NPs de Ag. Nesta secção é avaliada a utilização destes materiais como novos substratos para a análise em SERS, utilizando a 2-2’-ditiodipiridina como molécula modelo. Descrevem-se estudos pioneiros que procuram relacionar a dependência do sinal de SERS com a força do gel. Para tal, realizou-se um estudo sistemático aos nanobiocompósitos usados como substratos de SERS em diferentes condições analíticas e investigaram-se as suas propriedades reológicas. No capitulo 8 é descrita a investigação de nanocompósitos de Ag/Gelatina como substratos para SERS, utilizando o anião dietilditiocarbamato como analito modelo. Realizaram-se várias experiências para correlacionar a variação da força do gel com o aumento do sinal de SERS bem como a diferente adsorção dos dois tautómeros do DTC à superfície do metal. Ao longo desta dissertação são apresentados metodologias distintas para a preparação e obtenção de nanocompósitos com base em polímeros (sintéticos ou naturais) e NPs metálicas (Ag e Au). Esta investigação não só permitiu a síntese e estudo de novos substratos para SERS mas também a compreensão do efeito matriz/NPs metálicas no sinal de SERS e na formação de “hot spots”. Este trabalho contribui para o enriquecimento na área da Nanociência e Nanotecnologia demonstrando a eficácia e reprodutibilidade de nanocompósitos com base em polímeros como novos substratos para SERS. Embora as propriedades óticas apresentadas por estes materiais serem aqui direcionadas para a deteção molecular pela técnica de SERS, estes materiais podem ser investigados em outras área tecnológicas.