High Plains States Groundwater Demonstration Program : program summary report.

"June 2000"--Cover.

Ground water recharge in the High Plains states, and delivery of water to the North Platte irrigation project : hearing before the Subcommittee on Water and Power of the Committee on Energy and Natural Resources, United States Senate, Ninety-eighth Congress, first session.

Distributed to some depository libraries in microfiche.

Applications of differential geometry to high spin field theories

The main aim of this thesis is to investigate the application of methods of differential geometry to the constraint analysis of relativistic high spin field theories. As a starting point the coordinate dependent descriptions of the Lagrangian and Dirac-Bergmann constraint algorithms are reviewed for general second order systems. These two algorithms are then respectively employed to analyse the constraint structure of the massive spin-1 Proca field from the Lagrangian and Hamiltonian viewpoints. As an example of a coupled field theoretic system the constraint analysis of the massive Rarita-Schwinger spin-3/2 field coupled to an external electromagnetic field is then reviewed in terms of the coordinate dependent Dirac-Bergmann algorithm for first order systems. The standard Velo-Zwanziger and Johnson-Sudarshan inconsistencies that this coupled system seemingly suffers from are then discussed in light of this full constraint analysis and it is found that both these pathologies degenerate to a field-induced loss of degrees of freedom. A description of the geometrical version of the Dirac-Bergmann algorithm developed by Gotay, Nester and Hinds begins the geometrical examination of high spin field theories. This geometric constraint algorithm is then applied to the free Proca field and to two Proca field couplings; the first of which is the minimal coupling to an external electromagnetic field whilst the second is the coupling to an external symmetric tensor field. The onset of acausality in this latter coupled case is then considered in relation to the geometric constraint algorithm.

Structure of the N=50 As, Ge, Ga nuclei

The level structures of the N = 50 As-83, Ge-82, and Ga-81 isotones have been investigated by means of multi-nucleon transfer reactions. A first experiment was performed with the CLARA PRISMA setup to identify these nuclei. A second experiment was carried out with the GASP array in order to deduce the gamma-ray coincidence information. The results obtained on the high-spin states of such nuclei are used to test the stability of the N = 50 shell closure in the region of Ni-78 (Z = 28). The comparison of the experimental level schemes with the shell-model calculations yields an N = 50 energy gap value of 4.7(3) MeV at Z = 28. This value, in a good agreement with the prediction of the finite-range liquid-drop model as well as with the recent large-scale shell model calculations, does not support a weakening of the N = 50 shell gap down to Z = 28. (c) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

In-beam spectroscopy of Rn-215(86)

The yrast level structure of Rn-215 has been studied by means of in-beam spectroscopy alpha-gamma-gamma coincidence techniques through the Pb-207(O-18,2 alpha 2n) reaction at 93 MeV bombarding energy, using the 8 pi GASP-ISIS spectrometer at Legnaro. New spectroscopic information has been obtained. The deduced low-lying level scheme of Rn-215 does not exhibit the alternating parity structure observed in the heavier known isotones Fr-216, Ra-217, Ac-218, and Th-219. From this result, the lightest nucleus showing evidence for octupole collectivity is Fr-216, defining the lowest-mass corner for this kind of phenomenon as N >= 129 and Z >= 87.

Violation of multiparticle Bell inequalities for low- and high-flux parametric amplification using both vacuum and entangled input states

We show how polarization measurements on the output fields generated by parametric down conversion will reveal a violation of multiparticle Bell inequalities, in the regime of both low- and high-output intensity. In this case, each spatially separated system, upon which a measurement is performed, is comprised of more than one particle. In view of the formal analogy with spin systems, the proposal provides an opportunity to test the predictions of quantum mechanics for spatially separated higher spin states. Here the quantum behavior possible even where measurements are performed on systems of large quantum (particle) number may be demonstrated. Our proposal applies to both vacuum-state signal and idler inputs, and also to the quantum-injected parametric amplifier as studied by De Martini The effect of detector inefficiencies is included, and weaker Bell-Clauser-Horne inequalities are derived to enable realistic tests of local hidden variables with auxiliary assumptions for the multiparticle situation.

Anomalous thermodynamic properties in ferropericlase throughout its spin crossover transition

The thermodynamics properties of ferropericlase (Mg(1-x)Fe(x)O where x=0.1875) (Fp) throughout its spin crossover were investigated by first principles. Fp was treated as an ideal solid solution of pure high-spin and low-spin states. The Gibbs free energies of the pure states were addressed using the LDA+U method. A vibrational virtual-crystal model was developed to address the vibrational properties of the pure spin cases and used in conjunction with quasiharmonic theory to compute their vibrational free energies. The thermodynamics properties of Fp display significant anomalies that should be typical of spin crossover systems in general. In Fp, in particular, they are fundamental for understanding the state of earth's interior, where the pressure and temperature conditions of the crossover are realized.

Low-Spin Heme b3 in the Catalytic Center of Nitric Oxide Reductase from Pseudomonas nautica

Biochemistry, 2011, 50 (20), pp 4251–4262 DOI: 10.1021/bi101605p

Controlling the spin of metal atoms adsorbed on oxide surfaces: Ni on regular and defective sites of the MgO(001) surface

We have analyzed the relative energy of nonmagnetic and magnetic low-lying electronic states of Ni atoms adsorbed on regular and defective sites of the MgO(001) surface. To this end cluster and periodic surface models are used within density functional theory. For Ni atoms adsorbed on oxygen vacancies at low coverage, the interaction energy between the metal and the support is much larger than on regular sites. Strong bonding results in a diamagnetic adsorbed species and the energy required to reach the high-spin state increases. Moreover, a correlation appears between the low-spin to high-spin energy difference and the interaction energy hypothesizing that it is possible to prepare the surface to tune the high-spin to low-spin energy difference. Magnetic properties of adsorbed thin films obtained upon increasing coverage are more difficult to interpret. This is because the metallic bond is readily formed and dominates over the effect of the atoms directly bound to the vacancy.

Fast generation of spin-squeezed states in bosonic Josephson junctions

We describe methods for the fast production of highly coherent-spin-squeezed many-body states in bosonic Josephson junctions. We start from the known mapping of the two-site Bose-Hubbard (BH) Hamiltonian to that of a single effective particle evolving according to a Schrödinger-like equation in Fock space. Since, for repulsive interactions, the effective potential in Fock space is nearly parabolic, we extend recently derived protocols for shortcuts to adiabatic evolution in harmonic potentials to the many-body BH Hamiltonian. A comparison with current experiments shows that our methods allow for an important reduction in the preparation times of highly squeezed spin states.

Vibrational spectroscopy on thermally and optically switchable spin crossover compounds

Oktaedrisch koordinierte Übergangsmetalle mit der Elektronenkonfiguration [Ar]3d4 - 3d7 können in zwei unterschiedlichen elektronischen Zuständen existieren: im High-Spin (HS) oder im Low-Spin (LS) Zustand. Zum Beispiel kann Fe(II) in 1A1g (LS) oder 5T2g (HS) Konfiguration auftreten.Besonderes Interesse besteht in der Aufklärung des Mechanismus der kooperativen Wechselwirkung, die den Spinübergang im Festkörper bestimmt. Hierzu müssen zunächst die internen Freiheitsgrade der molekularen Einheiten bekannt sein. Besonders der Beitrag der molekularen Schwingungen zur Entropiedifferenz, die die Triebkraft des Spinübergangs darstellt, ist von entscheidender Bedeutung. Bisher existieren nur wenige detaillierte Untersuchungen zu den Schwingungseigenschaften der Spincrossovermoleküle.In Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden die Schwingungseigenschaften einiger Komplexverbindungen, die Spincrossover zeigen, im Detail untersucht. Dazu wurden temperaturabhängige Raman-, Fern- und Mittel-Infrarot-Spektroskopie, Isotopensubstitution und Normalkoordinatenanalysen (NKA) in Verbindung mit Dichtefunktional-Rechnungen (DFT) verwendet.Die gewonnenen Werte der zugeordneten Schwingungsfrequenzen und die bestimmten Kraftkonstantenänderungen können nun zur Verfeinerung von theoretischen Modellen zur Beschreibung des Spinübergangs verwendet werden.

Spin polarised Heusler compounds

In der vorliegenden Dissertation dient ein einfaches Konzept zur Systematisierung der Suche nach neuen Materialien mit hoher Spinpolarisation. Dieses Konzept basiert auf zwei semi-empirischen Modellen. Zum einen kann die Slater-Pauling Regel zur Abschätzung magnetischer Momente verwendet werden. Dieses Modell wird dabei durch Rechnungen zur elektronischen Struktur unterstützt. Das zweites Modell kann insbesondere für die Co2YZ Heusler Verbindungen beim Vergleich ihrer magnetischen Eigenschaften gefunden werden. Für diese Verbindungen ergibt sich eine scheinbare lineare Abhängigkeit der Curie-Temperatur beim Auftragen als Funktion des magnetischen Momentes. Angeregt durch diese Modelle wurde die Heusler Verbindung Co2FeSi nochmals detailliert im Hinblick auf ihre geometrische und magnetische Struktur hin untersucht. Als Methoden dienten dabei die Pulver-Röntgenbeugung, die EXAFS Spektroskopie, Röntgen Absorptions- and Mößbauer Spektroskopie sowie Hoch- und Tieftemperatur Magnetometrie, XMCD and DSC. Die Messungen zeigten, dass es sich bei Co2FeSi um das Material mit dem höchsten magnetischen Moment (6 B) und der höchsten Curie Temperatur (1100 K) sowohl in der Klasse der Heusler Verbindungen als auch in der Klasse der halbmetallischen Ferromagnete handelt. Zusätzlich werden alle experimentellen Ergebnisse durch detaillierte Rechnungen zur elektronischen Struktur unterstützt. Die gleichen Konzepte wurden verwendet, um die Eigenschaften der Heusler Verbindung Co2Cr1-xFexAl vorherzusagen. Die elektronische Struktur und die spektroskopischen Eigenschaften wurden mit der voll-relativistischen Korringa-Kohn-Rostocker Methode berechnet, unter Verwendung kohärenter Potentialnäherungen um der zufälligen Verteilung von Cr und Fe Atomen sowie zufälliger Unordnung Rechnung zu tragen. Magnetische Effekte wurden durch die Verwendung Spin-abhängiger Potentiale im Rahmen der lokalen Spin-Dichte-Näherung mit eingeschlossen. Die strukturellen und chemischen Eigenschaften der quaternären Heusler Verbindung Co2Cr1-xFexAl wurden an Pulver und Bulkproben gemessen. Die Fernordnung wurde mit der Pulver Röntgenbeugung und Neutronenbeugung untersucht, während die Nahordnung mit der EXAFS Spektroskopie aufgeklärt wurde. Die magnetische Struktur von Pulver und Bulkproben wurde mitttels 57Fe-Mößbauer Spektroskopie gemessen. Die chemische Zusammensetzung wurde durch XPS analysiert. Die Ergebnisse dieser Methoden wurden verglichen, um eine Einsicht in die Unterschiede zwischen Oberflächen und Volumeneigenschaften zu erlangen sowie in das Auftreten von Fehlordnung in solchen Verbindungen. Zusätzlich wurde XMCD an den L3,2 Kanten von Co, Fe, and Cr gemessen, um die elementspezifischen magnetischen Momente zu bestimmen. Rechnungen und Messungen zeigen dabei eine Zunahme des magnetischen Momentes bei steigendem Fe-Anteil. Resonante Photoemission mit weicher Röntgenstrahlung sowie Hochenergie Photoemission mit harter Röntgenstrahlung wurden verwendet, um die Zustandsdichte der besetzten Zustände in Co2Cr0.6Fe0.4Al zu untersuchen. Diese Arbeit stellt außerdem eine weitere, neue Verbindung aus der Klasse der Heusler Verbindungen vor. Co2CrIn ist L21 geordnet, wie Messungen mittels Pulver Röntgenbeugung zeigen. Die magnetischen Eigenschaften wurden mit magnetometrisch bestimmt. Co2CrIn ist weichmagnetisch mit einer Sättigungsmagnetisierung von 1.2B bei 5 K. Im Gegensatz zu den bereits oben erwähnten Co2YZ Heusler Verbindungen ist Co2CrIn kein halbmetallischer Ferromagnet. Im Rahmen dieser Arbeit wird weiterhin eine Regel zur Vorhersage von halbmetallischen komplett kompensierten Ferrimagneten in der Klasse der Heusler Verbindungen vorgestellt. Dieses Konzept resultiert aus der Kombination der Slater-Pauling Regel mit der Kübler-Regel. Die Kübler Regel besagt, dass Mn auf der Y Position zu einem hoch lokalisierten magnetischen Moment tendiert. Unter Verwendung dieses neuen Konzeptes werden für einige Kandidaten in der Klasse der Heusler Verbindungen die Eigenschaft des halbmetallischen komplett kompensierten Ferrimagnetismus vorhergesagt. Die Anwendung dieses Konzeptes wird anhand von Rechnungen zur elektronischen Struktur bestätigt.

Magnetische Wechselwirkung Spin-Austauschgekoppelter Systeme mit Nitroxid und Nitronyl-Nitroxid Radikalen

Bei der Untersuchung molekularer magnetischer Materialien spielen Metall-Radikal Verbindungen eine bedeutende Rolle. Ein Forschungsschwerpunkt stützt sich auf die Familie der Nitronyl-Nitroxid (NIT) Radikale, die sich durch eine hohe chemische Stabilität auszeichnen. Im sogenannten „Metall-Radikal Ansatz“ wurden die starken Austauschwechselwirkungen zwischen stabilen Radikalen und Übergangsmetallionen in mehrdimensionalen Netzwerken ausgiebig untersucht. Um diese Netzwerke mit NIT Radikalen aufzubauen, müssen zusätzliche funktionelle Gruppen, mit einem Abstand zur spintragenden Einheit, in das Molekül eingebaut werden. Dies kann zu einer zusätzlichen schwachen Spinaustauschwechselwirkung führen. Um diese Wechselwirkung zwischen Metalldimeren mit einem einzelnen Benzoat annalogen NIT-Radikal zu untersuchen, wurden dimere Mangan(II), Kobalt(II) und Zink(II) Komplexe mit dem Chelatliganden N,N,N',N'-Tetrakis(2-benzimid-azolylalkyl)-2-hydroxy-1,3-diamino-propan synthetisiert und zusätzlich über eine periphere Carboxylat Gruppe eines NIT Radikals verbrückt.rnDie Messungen der magnetischen Suszeptibilität weisen auf eine dominante antiferromagnetische Wechselwirkung in der Metall-Radikal Verbindung hin, bei der es sich um die Spin-Austauschwechselwirkung innerhalb des Metalldimers handelt. Durch den Vergleich mit analogen Nitrobenzoat- verbrückten Mangan(II) und Kobalt(II) Verbindungen konnte gezeigt werden, dass keine Metall-Radikal Wechselwirkung beobachtet wird, obwohl eine Wechselwirkung der pi*-orbitale mit den delokalisierten pi-System des Phenylrings durch Spin-Polarisation grundsätzlich möglich ist. Auch ESR - Messungen bestätigen dies, da der Spingrundzustand das anisotrope Signal des freien NIT Radikals aufweist. Das Radikal verhält sich somit wie ein isoliertes S=1/2 Spin-Zentrum, was zusätzlich durch DFT-Rechnungen bekräftigt werden konnte. Zusammenfassend führt also die Koordination eines NIT-Benzoats an ein antiferromagnetisch gekoppeltes Metalldimer nur zur Anhebung des Spingrundzustandes und hat keinen signifikanten Effekt auf die Austauschwechselwirkung. Um trotzdem eine Metall-Radikal Wechselwirkung beobachten zu können, ist es notwendig Koordinationsverbindungen zu synthetisieren in denen hohe Spingrundzustände besetzt werden. Dies trifft auf das analoge Kupferdimer zu, wofür eine ferromagnetische Wechselwirkung zu beobachten ist.rnNach den Regeln der Spin-Polarisation müsste die Verkürzung des Austauschpfades um eine Bindung zu einer Umkehrung des Vorzeichens der magnetischen Wechselwirkung führen. Diese Verkürzung kann man durch die Verwendung des alternativen stabilen NOA-Radikals (tert-Butyl Nitroxid) erreichen. Sowohl das NIT als auch das NOA-Radikal werden an ein Kupfer(II)-dimer koordiniert, das durch die Verwendung des oben erwähnten N6O-Liganden gebildet wurde. In der Modellverbindung, ohne einen paramagnetischen Substituenten am Benzoat, zeigen die Kupferionen eine ferromagnetische Wechselwirkung mit einem Triplett Grundzustand, dessen Existenz durch die Messung der magnetischen Suszeptibilität und ESR-Spektroskopie belegt werden kann. Aufgrund der nahezu identischen Koordinationsumgebung bleibt bei allen synthetisierten Verbindungen die Kupfer-Kupfer Wechselwirkung dabei gleich. Die Daten von ESR und magnetischen Messungen zeigen weiterhin auf eine signifikante zusätzliche Metall-Radikal Wechselwirkung hin. Bei der NIT-Verbindung ist diese Austauschwechselwirkung schwach antiferromagnetisch, während die NOA-Verbindung eine schwache ferromagnetische Kopplung aufzeigt. Diese Resultate können durch DFT Rechnungen bekräftigt werden. Der Vorzeichenwechsel des Kopplungsparameters kann durch die Verkürzung des Austauschpfades vom NIT zum NOA-Benzoat um eine Bindung erklärt werden. Durch die Wahl von geeigneten Radikal- Liganden und Metallionen, zeigt sich die Möglichkeit, Systeme zu erzeugen, in denen die Radikal-Metall Wechselwirkung auch über größere Distanzen den Spin-Grundzustand des gesamten Systems signifikant beeinflussen kann. die Anwendung dieses Konzeptes auf Metall-Radikal Cluster System sollte Von großem Interesse sein.rn

Neuartige kryogene Penning-Falle für den Nachweis von Spin-Übergängen eines Protons und Bestimmung seines g-Faktors

In dieser Arbeit wird der Entwurf, der Aufbau, die Inbetriebnahme und die Charakterisierung einer neuartigen Penning-Falle im Rahmen des Experiments zur Bestimmung des g-Faktors des Protons präsentiert. Diese Falle zeichnet sich dadurch aus, dass die Magnetfeldlinien eines äußeren homogenen Magnetfeldes durch eine ferromagnetische Ringelektrode im Zentrum der Falle verzerrt werden. Der inhomogene Anteil des resultierenden Magnetfeldes, die sogenannte magnetische Flasche, lässt sich durch den Koeffizient B2 = 297(10) mT/mm2 des Terms zweiter Ordnung der Ortsabhängigkeit des Feldes quantifizieren. Eine solche ungewöhnlich starke Feldinhomogenität ist Grundvoraussetzung für den Nachweis der Spinausrichtung des Protons mittels des kontinuierlichen Stern-Gerlach-Effektes. Dieser Effekt basiert auf der im inhomogenen Magnetfeld entstehenden Kopplung des Spin-Freiheitsgrades des gefangenen Protons an eine seiner Eigenfrequenzen. Ein Spin-Übergang lässt sich so über einen Frequenzsprung detektieren. Dabei ist die nachzuweisende Änderung der Frequenz proportional zu B2 und zum im Fall des Protons extrem kleinen Verhältnis zwischen seinem magnetischen Moment nund seiner Masse. Die durch die benötigte hohe Inhomogenität des Magnetfeldes bedingten technischen Herausforderungen erfordern eine fundierte Kenntnis und Kontrolle der Eigenschaften der Penning-Falle sowie der experimentellen Bedingungen. Die in der vorliegenden Arbeit entwickelte Penning-Falle ermöglichte den erstmaligen zerstörungsfreien Nachweis von Spin-Quantensprüngen eines einzelnen gefangenen Protons, was einen Durchbruch für das Experiment zur direkten Bestimmung des g-Faktors mit der angestrebten relativen Genauigkeit von 10−9 darstellte. Mithilfe eines statistischen Verfahrens ließen sich die Larmor- und die Zyklotronfrequenz des Protons im inhomogenen Magnetfeld der Falle ermitteln. Daraus wurde der g-Faktor mit einer relativen Genauigkeit von 8,9 × 10−6 bestimmt. Die hier vorgestellten Messverfahren und der experimentelle Aufbau können auf ein äquivalentes Experiment zur Bestimmung des g-Faktors des Antiprotons zum Erreichen der gleichen Messgenauigkeit übertragen werden, womit der erste Schritt auf dem Weg zu einem neuen zwingenden Test der CPT-Symmetrie im baryonischen Sektor gemacht wäre.

Quantum Energy Teleportation Between Spin Particles in a Gibbs State

Energy in a multipartite quantum system appears from an operational perspective to be distributed to some extent non-locally because of correlations extant among the system's components. This non-locality allows users to transfer, in effect, locally accessible energy between sites of different system components by local operations and classical communication (LOCC). Quantum energy teleportation is a three-step LOCC protocol, accomplished without an external energy carrier, for effectively transferring energy between two physically separated, but correlated, sites. We apply this LOCC teleportation protocol to a model Heisenberg spin particle pair initially in a quantum thermal Gibbs state, making temperature an explicit parameter. We find in this setting that energy teleportation is possible at any temperature, even at temperatures above the threshold where the particles' entanglement vanishes. This shows for Gibbs spin states that entanglement is not fundamentally necessary for energy teleportation; correlation other than entanglement can suffice. Dissonance-quantum correlation in separable states-is in this regard shown to be a quantum resource for energy teleportation, more dissonance being consistently associated with greater energy yield. We compare energy teleportation from particle A to B in Gibbs states with direct local energy extraction by a general quantum operation on B and find a temperature threshold below which energy extraction by a local operation is impossible. This threshold delineates essentially two regimes: a high temperature regime where entanglement vanishes and the teleportation generated by other quantum correlations yields only vanishingly little energy relative to local extraction and a second low-temperature teleportation regime where energy is available at B only by teleportation.