An interplanetary mission to Neptune system: Gravitational capture and maneuvers around triton

The gravitational capture was initially used to understand the capture of planetary satellites. However, in the 90's decade, this phenomenon was applied in spacecraft trajectories. Belbruno and Miller studied missions in the Earth-Moon system that uses this technique to save fuel during the insertion of the spacecraft in its final orbit around the Moon. Using a parameter defined as twice the two-body energy of the planet-particle system, Yamakawa also studied the gravitational capture in the Earth-Moon system. In the present paper, this technique is used to study a mission that goes to the Neptune system and perform a gravitational capture in the satellite Triton. The results show direct and retrograde trajectories, for different values of the initial conditions.

Bright solitons in a quasi-one-dimensional dipolar Bose-Einstein condensate

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

A combined experimental and theoretical study on the formation of ag filaments on beta-Ag2MoO4 induced by electron irradiation

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Exact field-driven interface dynamics in the two-dimensional stochastic Ising model with helicoidal boundary conditions

We investigate the interface dynamics of the two-dimensional stochastic Ising model in an external field under helicoidal boundary conditions. At sufficiently low temperatures and fields, the dynamics of the interface is described by an exactly solvable high-spin asymmetric quantum Hamiltonian that is the infinitesimal generator of the zero range process. Generally, the critical dynamics of the interface fluctuations is in the Kardar-Parisi-Zhang universality class of critical behavior. We remark that a whole family of RSOS interface models similar to the Ising interface model investigated here can be described by exactly solvable restricted high-spin quantum XXZ-type Hamiltonians. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

Energy-level statistics of interacting trapped bosons

It is a well-established fact that statistical properties of energy-level spectra are the most efficient tool to characterize nonintegrable quantum systems. The statistical behavior of different systems such as complex atoms, atomic nuclei, two-dimensional Hamiltonians, quantum billiards, and noninteracting many bosons has been studied. The study of statistical properties and spectral fluctuations in interacting many-boson systems has developed interest in this direction. We are especially interested in weakly interacting trapped bosons in the context of Bose-Einstein condensation (BEC) as the energy spectrum shows a transition from a collective nature to a single-particle nature with an increase in the number of levels. However this has received less attention as it is believed that the system may exhibit Poisson-like fluctuations due to the existence of an external harmonic trap. Here we compute numerically the energy levels of the zero-temperature many-boson systems which are weakly interacting through the van der Waals potential and are confined in the three-dimensional harmonic potential. We study the nearest-neighbor spacing distribution and the spectral rigidity by unfolding the spectrum. It is found that an increase in the number of energy levels for repulsive BEC induces a transition from a Wigner-like form displaying level repulsion to the Poisson distribution for P(s). It does not follow the Gaussian orthogonal ensemble prediction. For repulsive interaction, the lower levels are correlated and manifest level-repulsion. For intermediate levels P(s) shows mixed statistics, which clearly signifies the existence of two energy scales: external trap and interatomic interaction, whereas for very high levels the trapping potential dominates, generating a Poisson distribution. Comparison with mean-field results for lower levels are also presented. For attractive BEC near the critical point we observe the Shnirelman-like peak near s = 0, which signifies the presence of a large number of quasidegenerate states.

Untersuchungen zur Verfestigungskinetik in Suspensionen kolloidaler Partikel

Kolloidale Suspensionen, bei denen man die kolloidalen Teilchen als "Makroatome" in einem Kontinuum aus Lösungsmittelmolekülen auffaßt, stellen ein geeignetes Modellsystem zur Untersuchung von Verfestigungsvorgängen dar. Auf Grund der typischen beteiligten Längen- und Zeitskalen können Phasenübergänge bequem mit optischen Verfahren studiert werden. In der vorliegenden Arbeit wurde die Kinetik der Kristallisation in drei kolloidalen Systemen unterschiedlicher Teilchen-Teilchen-Wechselwirkung mit Lichtstreu- und mikroskopischen Methoden untersucht. Zur Untersuchung von Suspensionen aus sterisch stabilisierten PMMA-Teilchen, die in guter Näherung wie harte Kugeln wechselwirken, wurde ein neuartiges Laserlichtstreuexperiment aufgebaut, das die gleichzeitige Detektion von Bragg- und Kleinwinkelstreuung an einer Probe erlaubt. Damit konnte der zeitliche Verlauf der Kristallisation verfolgt sowie u.a. Nukleationsraten und erstmals auch Wachstumsgeschwindigkeiten bestimmt werden; diese wurden mit klassischer Nukleationstheorie sowie Wilson-Frenkel-Wachstum verglichen. In beiden Fällen konnte sehr gute Übereinstimmung mit der Theorie festgestellt werden. In Systemen geladener Partikel wurden mit Bragg-Mikroskopie die Wachstumsgeschwindigkeiten heterogener, an der Wand der Probenzelle aufwachsender Kristalle untersucht. Die Anpassung eines Wilson-Frenkel-Wachstumsgesetzes gelingt auch hier, wenn man die dazu eingeführte reskalierte Energiedichte auf den Schmelzpunkt bezieht. Geeignete Reskalierung der Daten erlaubt den Vergleich mit den Hartkugelsystemen. Zum ersten Mal wurde die Kristallisationskinetik in zwei verschiedenen kolloidalen binären Mischungen bestimmt und ausgewertet: In Beimischungen einer nichtkristallisierenden Teilchensorte zu einer kristallisierenden Suspension konnten die Daten mit einem modifizierten Wilson-Frenkel-Gesetz beschrieben werden, während in Mischungen aus zwei kristallisierenden Partikelsystemen eine unerwartet hohe Abnahme der Wachstumsgeschwindigkeiten beobachtet wurde. Kolloidale Suspensionen hartkugelähnlicher Mikrogel-Partikel konnten mit Hilfe des Lichtstreuaufbaues ebenfalls zum ersten Mal untersucht werden. Es wurde eine ähnliche Kristallisationskinetik wie in den PMMA-Systemen gefunden, jedoch auch einige wichtige Unterschiede, die insbesondere den Streumechanismus im Kleinwinkelbereich betrafen. Hier wurden verschiedene Interpretationsvorschläge diskutiert.

Synthese von grenzflächenaktiven Monomeren zur Herstellung von funktionalen Metall-Chalkogenid,Polymer-Hybridnanopartikeln

In dieser Arbeit wurde gezeigt, wie oberflächenfunktionalisierte Polystyrolnanopartikel zur Herstellung von Metallchalkogenid/Polymer-Hybridnanopartikeln eingesetzt werden können. Dazu wurden zunächst phosphonsäure- und phosphorsäurefunktionalisierte Surfmere synthetisiert, die anschließend bei der Miniemulsionspolymerisation von Styrol verwendet wurden. Die Surfmere dienten dabei zugleich zur Stabilisierung und als Comonomer. Die oberflächenfunktionalisierten Polystyrolnanopartikel wurden anschließend als Trägerpartikel für die Kristallisation von Metalloxiden eingesetzt. Dabei wurden Metalloxid/Polymer-Hybridnanopartikel mit einer „himbeerartigen“ Morphologie erhalten. Um die vielseitige Modifizierbarkeit der phosphonat- und phosphat¬funktionalisierten Polystyrolpartikel zu demonstrieren, wurden Cer-, Eisen- sowie Zinkoxid auf der Partikeloberfläche kristallisiert. Dazu wurden sowohl wässrige als auch alkoholische Metalloxid-Präkursorlösungen eingesetzt. Die synthetisierten Metall¬oxid/Polymer-Hybridpartikel wurden detailliert mit REM, TEM und PXRD analysiert. Die Untersuchung des Kristallisationsmechanismus hatte erwiesen, dass die komplexierten Metallkationen auf der Partikeloberfläche als Nukleationszentren wirkten und die Zutropfrate des Fällungsreagenz entscheidend für die Oberflächenkristallisation ist. Durch Mischungsexperimente von Metalloxidnanopartikeln und den oberflächen¬funktionalisierten Polymerpartikeln konnte die Hybridpartikelbildung über Hetero¬koagulation ausgeschlossen werden. Außerdem wurde festgestellt, dass die Polarität der funktionellen Gruppe über die Stärke der Komplexierung der Metalloxid-Präkursor bestimmt. Darüber hinaus wurde ein Modell zur Erklärung der kolloidalen Stabilisierung der Metalloxid/Polymer-Hybridsysteme aufgestellt und ein Zusammenhang zwischen dem gemessenen Zeta-Potential und der Oberflächenbedeckung der Polymerpartikel durch Metalloxid gefunden. Mit der Methode der Oberflächenkristallisation konnten frühe Stadien der Nukleation auf der Partikeloberfläche fixiert werden. Weiterhin wurden die individuellen physikalisch-chemischen Eigenschaften der hergestellten Metall¬oxid/Polymer-Hybridnano¬partikel untersucht. Dabei zeigten die CeO2/Polymer-Hybridpartikel eine hohe katalytische Aktivität bezüglich der photokatalytischen Oxidation von Rhodamin B, die als Modellreaktion durchgeführt wurde. Des Weiteren wurde die Magnetisierung der Magnetit/Polymer-Hybridpartikel gemessen. Die Fe3O4-Hybrid¬partikelsysteme wiesen eine vergleichbare Sättigungsmagnetisierung auf. Die Zinkoxid/Polymer-Hybridsysteme zeigten eine starke Lumineszenz im sichtbaren Bereich bei Anregung mit UV-Licht. Die Metalloxid/Polymer-Hybridpartikel, die mit den phosphonat- oder phosphatfunktion¬alisierten Polystyrolpartikeln hergestellt wurden, zeigten keine signifikanten Unterschiede in ihren physikochemischen Eigenschaften. Im Allgemeinen lässt sich schlussfolgern, dass sowohl Phosphonat- als auch Phosphatgruppen gleichermaßen für die Oberflächenkristallisation von Metalloxiden geeignet sind. Die Zink¬oxid/Polymer-Hybridsysteme stellen eine Ausnahme dar. Die Verwendung der phosphonat¬funktionalisierten Polystyrolpartikel führte zur Entstehung einer Zinkhydroxidphase, die neben der Zinkoxidphase gebildet wurde. Aufgrund dessen zeigten die ZnO/RPO3H2-Hybridpartikel eine geringere Lumineszenz im sichtbaren Bereich als die ZnO/RPO4H2-Hybridsysteme.rnDie Erkenntnisse, die bei der Oberflächenkristallisation von Metalloxiden gewonnen wurden, konnten erfolgreich auf Cadmiumsulfid übertragen werden. Dabei konnte Cadmiumsulfid auf der Oberfläche von phosphonatfunktionalisierten Polystyrolpartikeln kristallisiert werden. Mit Hilfe des RPO3H2-Surfmers konnten phosphonatfunktion¬alisierte Polystyrolpartikel mit superparamagnetischem Kern synthetisiert werden, die zur Herstellung von multifunktionalen CdS/Polymer-Hybridpartikeln mit Magnetitkern verwendet wurden. Die Kristallphase und die Oberflächenbedeckung der multi¬funktionalen Hybridsysteme wurden mit den CdS/Polymer-Hybridsystemen ohne magnetischen Kern verglichen. Dabei konnte nachgewiesen werden, dass in beiden Fällen Cadmiumsulfid in der Greenockit-Modifikation gebildet wurde. Die multifunktionalen CdS/Polymer-Hybridpartikel mit superparamagnetischem Kern konnten sowohl mit einem optischen als auch einem magnetischen Stimulus angeregt werden.rnrn

An Urn Model for Cascading Failures on a Lattice

A cascading failure is a failure in a system of interconnected parts, in which the breakdown of one element can lead to the subsequent collapse of the others. The aim of this paper is to introduce a simple combinatorial model for the study of cascading failures. In particular, having in mind particle systems and Markov random fields, we take into consideration a network of interacting urns displaced over a lattice. Every urn is Pólya-like and its reinforcement matrix is not only a function of time (time contagion) but also of the behavior of the neighboring urns (spatial contagion), and of a random component, which can represent either simple fate or the impact of exogenous factors. In this way a non-trivial dependence structure among the urns is built, and it is used to study default avalanches over the lattice. Thanks to its flexibility and its interesting probabilistic properties, the given construction may be used to model different phenomena characterized by cascading failures such as power grids and financial networks.

Random recursion

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-06

Isotropic compression of mixtures of hard and soft spheres

The compaction behaviour of powders with soft and hard components is of particular interest to the paint processing industry. Unfortunately, at the present time, very little is known about the internal mechanisms within such systems and therefore suitable tests are required to help in the interpretative process. The TRUBAL, Distinct Element Method (D.E.M.) program was the method of investigation used in this study. Steel (hard) and rubber (soft) particles were used in the randomly-generated, binary assemblies because they provided a sharp contrast in physical properties. For reasons of simplicity, isotropic compression of two-dimensional assemblies was also initially considered. The assemblies were first subject to quasi-static compaction, in order to define their behaviour under equilibrium conditions. The stress-strain behaviour of the assemblies under such conditions was found to be adequately described by a second-order polynomial expansion. The structural evolution of the simulation assemblies was also similar to that observed for real powder systems. Further simulation tests were carried out to investigate the effects of particle size on the compaction behaviour of the two-dimensional, binary assemblies. Later work focused on the quasi-static compaction behaviour of three-dimensional assemblies, because they represented more realistic particle systems. The compaction behaviour of the assemblies during the simulation experiments was considered in terms of percolation theory concepts, as well as more familiar macroscopic and microstructural parameters. Percolation theory, which is based on ideas from statistical physics, has been found to be useful in the interpretation of the mechanical behaviour of simple, elastic lattices. However, from the evidence of this study, percolation theory is also able to offer a useful insight into the compaction behaviour of more realistic particle assemblies.

On the Structure of Spatial Branching Processes

The paper is a contribution to the theory of branching processes with discrete time and a general phase space in the sense of [2]. We characterize the class of regular, i.e. in a sense sufficiently random, branching processes (Φk) k∈Z by almost sure properties of their realizations without making any assumptions about stationarity or existence of moments. This enables us to classify the clans of (Φk) into the regular part and the completely non-regular part. It turns out that the completely non-regular branching processes are built up from single-line processes, whereas the regular ones are mixtures of left-tail trivial processes with a Poisson family structure.

Exotic meson decay widths using lattice quantum chromodynamics

Most experiments in particle physics are scattering experiments, the analysis of which leads to masses, scattering phases, decay widths and other properties of one or multi-particle systems. Until the advent of Lattice Quantum Chromodynamics (LQCD) it was difficult to compare experimental results on low energy hadron-hadron scattering processes to the predictions of QCD, the current theory of strong interactions. The reason being, at low energies the QCD coupling constant becomes large and the perturbation expansion for scattering; amplitudes does not converge. To overcome this, one puts the theory onto a lattice, imposes a momentum cutoff, and computes the integral numerically. For particle masses, predictions of LQCD agree with experiment, but the area of decay widths is largely unexplored. ^ LQCD provides ab initio access to unusual hadrons like exotic mesons that are predicted to contain real gluonic structure. To study decays of these type resonances the energy spectra of a two-particle decay state in a finite volume of dimension L can be related to the associated scattering phase shift δ(k) at momentum k through exact formulae derived by Lüscher. Because the spectra can be computed using numerical Monte Carlo techniques, the scattering phases can thus be determined using Lüscher's formulae, and the corresponding decay widths can be found by fitting Breit-Wigner functions. ^ Results of such a decay width calculation for an exotic hybrid( h) meson (JPC = 1-+) are presented for the decay channel h → πa 1. This calculation employed Lüscher's formulae and an approximation of LQCD called the quenched approximation. Energy spectra for the h and πa1 systems were extracted using eigenvalues of a correlation matrix, and the corresponding scattering phase shifts were determined for a discrete set of πa1 momenta. Although the number of phase shift data points was sparse, fits to a Breit-Wigner model were made, resulting in a decay width of about 60 MeV. ^

Measure-valued mass evolution problems with flux boundary conditions and solution-dependent velocities

In this paper we prove well-posedness for a measure-valued continuity equation with solution-dependent velocity and flux boundary conditions, posed on a bounded one-dimensional domain. We generalize the results of an earlier paper [J. Differential Equations, 259 (2015), pp. 10681097] to settings where the dynamics are driven by interactions. In a forward-Euler-like approach, we construct a time-discretized version of the original problem and employ those results as a building block within each subinterval. A limit solution is obtained as the mesh size of the time discretization goes to zero. Moreover, the limit is independent of the specific way of partitioning the time interval [0, T]. This paper is partially based on results presented in Chapter 5 of [Evolution Equations for Systems Governed by Social Interactions, Ph.D. thesis, Eindhoven University of Technology, 2015], while a number of issues that were still open there are now resolved.

Reverse engineering in many-body quantum physics: Correspondence between many-body systems and effective single-particle equations

The mapping, exact or approximate, of a many-body problem onto an effective single-body problem is one of the most widely used conceptual and computational tools of physics. Here, we propose and investigate the inverse map of effective approximate single-particle equations onto the corresponding many-particle system. This approach allows us to understand which interacting system a given single-particle approximation is actually describing, and how far this is from the original physical many-body system. We illustrate the resulting reverse engineering process by means of the Kohn-Sham equations of density-functional theory. In this application, our procedure sheds light on the nonlocality of the density-potential mapping of density-functional theory, and on the self-interaction error inherent in approximate density functionals.

Determination of particle concentration in the breathing zone for four different types of office ventilation systems

Many factors affect the airflow patterns, thermal comfort, contaminant removal efficiency and indoor air quality at individual workstations in office buildings. In this study, four ventilation systems were used in a test chamber designed to represent an area of a typical office building floor and reproduce the real characteristics of a modern office space. Measurements of particle concentration and thermal parameters (temperature and velocity) were carried out for each of the following types of ventilation systems: (a) conventional air distribution system with ceiling supply and return; (b) conventional air distribution system with ceiling supply and return near the floor; (c) underfloor air distribution system; and (d) split system. The measurements aimed to analyse the particle removal efficiency in the breathing zone and the impact of particle concentration on an individual at the workstation. The efficiency of the ventilation system was analysed by measuring particle size and concentration, ventilation effectiveness and the indoor/outdoor ratio. Each ventilation system showed different airflow patterns and the efficiency of each ventilation system in the removal of the particles in the breathing zone showed no correlation with particle size and the various methods of analyses used. (C) 2008 Elsevier Ltd. All rights reserved.