Studies in quantum field theory at finite temperature

The thesis deals with certain quantum field systems exhibiting spontaneous symmetry breaking and their response to temperature. These models find application in diverse branches such as particle physics, solid state physics and non~linear optics. The nature of phase transition that these systems may undergo is also investigated. The thesis contains seven chapters. The first chapter is introductory and gives a brief account of the various phenomena associated with spontaneous symmetry breaking. The chapter closes with anote on the effect of temperature on quantum field systems. In chapter 2, the spontaneous symmetry breaking phenomena are reviewed in more detail. Chapter 3, deals with the formulation of ordinary and generalised sine-Gordon field theories on a lattice and the study of the nature of phase transition occurring in these systems. In chapter 4, the effect of temperature on these models is studied, using the effective potential method. Chapter 5 is a continuation of this study for another model, viz, the m6 model. The nature of phase transition is also studied. Chapters 5 and 6 constitute a report of the investigations on the behaviour of coupling constants under thermal excitation D1 $4 theory, scalar electrodynamics, abelian and non-abelian gauge theories

Momentum distribution in nuclear matter and finite nuclei

A simple method is presented to evaluate the effects of short-range correlations on the momentum distribution of nucleons in nuclear matter within the framework of the Greens function approach. The method provides a very efficient representation of the single-particle Greens function for a correlated system. The reliability of this method is established by comparing its results to those obtained in more elaborate calculations. The sensitivity of the momentum distribution on the nucleon-nucleon interaction and the nuclear density is studied. The momentum distributions of nucleons in finite nuclei are derived from those in nuclear matter using a local-density approximation. These results are compared to those obtained directly for light nuclei like 16O.

Sum rules and short-range correlations in nuclear matter at finite temperature

The nucleon spectral function in nuclear matter fulfills an energy weighted sum rule. Comparing two different realistic potentials, these sum rules are studied for Greens functions that are derived self-consistently within the T matrix approximation at finite temperature.

Ferromagnetic instabilities in neutron matter at finite temperature with the Skyrme interaction

The properties of spin-polarized neutron matter are studied at both zero and finite temperature using Skyrme-type interactions. It is shown that the critical density at which ferromagnetism takes place decreases with temperature. This unexpected behavior is associated to an anomalous behavior of the entropy that becomes larger for the polarized phase than for the unpolarized one above a certain critical density. This fact is a consequence of the dependence of the entropy on the effective mass of the neutrons with different third spin component. A new constraint on the parameters of the effective Skyrme force is derived if this behavior is to be avoided.

Bulk and single-particle properties of hyperonic matter at finite temperature

Bulk and single-particle properties of hot hyperonic matter are studied within the Brueckner-Hartree-Fock approximation extended to finite temperature. The bare interaction in the nucleon sector is the Argonne V18 potential supplemented with an effective three-body force to reproduce the saturating properties of nuclear matter. The modern Nijmegen NSC97e potential is employed for the hyperon-nucleon and hyperon-hyperon interactions. The effect of temperature on the in-medium effective interaction is found to be, in general, very small and the single-particle potentials differ by at most 25% for temperatures in the range from 0 to 60 MeV. The bulk properties of infinite matter of baryons, either nuclear isospin symmetric or a Beta-stable composition that includes a nonzero fraction of hyperons, are obtained. It is found that the presence of hyperons can modify the thermodynamical properties of the system in a non-negligible way.

Average ground-state energy of finite Fermi systems

Semiclassical theories such as the Thomas-Fermi and Wigner-Kirkwood methods give a good description of the smooth average part of the total energy of a Fermi gas in some external potential when the chemical potential is varied. However, in systems with a fixed number of particles N, these methods overbind the actual average of the quantum energy as N is varied. We describe a theory that accounts for this effect. Numerical illustrations are discussed for fermions trapped in a harmonic oscillator potential and in a hard-wall cavity, and for self-consistent calculations of atomic nuclei. In the latter case, the influence of deformations on the average behavior of the energy is also considered.

”Investigations on The Finite Size Effects of Some Inverse Spinels and Studies on Their Composites Based on Nitrile Rubber”

In the present study, nano particles of NiFe3O4, I_.l()5Feg5O4 and CoFegO4 are prepared by sol gel method. By appropriate heat treatments, particles of different grain sizes are obtained. The structural, magnetic and electrical measurements are evaluated as a function of grain size and temperature. NiFe3O4 prepared in the ultrafine regime are then incorporated in nitrile rubber matrix. The incorporation was carried out according to a specific recipe and for various loadings of magnetic fillers. The cure characteristics, magnetic properties, electrical properties and mechanical properties of these elastomer blends are carried out. The electrical permittivity of all the rubber samples in the X — band are also conducted

Finite size effects on the structural and magnetic properties of sol–gel synthesized NiFe2O4 powders

Nanoparticles of nickel ferrite have been synthesized by the sol–gel method and the effect of grain size on its structural and magnetic properties have been studied in detail. X-ray diffraction (XRD) studies revealed that all the samples are single phasic possessing the inverse spinel structure. Grain size of the sol–gel synthesized powders has been determined from the XRD data and the strain graph. A grain size of 9 nm was observed for the as prepared powders of NiFe2O4 obtained through the sol–gel method. It was also observed that strain was induced during the firing process. Magnetization measurements have been carried out on all the samples prepared in the present series. It was found that the specific magnetization of the nanosized NiFe2O4 powders was lower than that of the corresponding coarse-grained counterparts and decreased with a decrease in grain size. The coercivity of the sol–gel synthesized NiFe2O4 nanoparticles attained a maximum value when the grain size was 15nm and then decreased as the grain size was increased further.

Finite size effects on the electrical properties of sol–gel synthesized CoFe2O4 powders: deviation from Maxwell–Wagner theory and evidence of surface polarization effects

Fine particles of cobalt ferrite were synthesized by the sol–gel method. Subsequent heat treatment at different temperatures yielded cobalt ferrites having different grain sizes. X-ray diffraction studies were carried out to elucidate the structure of all the samples. Dielectric permittivity and ac conductivity of all the samples were evaluated as a function of frequency, temperature and grain size. The variation of permittivity and ac conductivity with frequency reveals that the dispersion is due to Maxwell–Wagner type interfacial polarization in general, with a noted variation from the expected behaviour for the cold synthesized samples. High permittivity and conductivity for small grains were explained on the basis of the correlated barrier-hopping model

Design and Finite Element Analysis of Hybrid Stepper Motor for Spacecraft Applications

This paper presents the design and analysis of a 400-step hybrid stepper motor for spacecraft applications. The design of the hybrid stepper motor for achieving a specific performance requires the choice of appropriate tooth geometry. In this paper, a detailed account of the results of two-dimensional finite-element (FE) analysis conducted with different tooth shapes such as square and trapezoidal, is presented. The use of % more corresponding increase in detent torque and distorted static torque profile. For the requirements of maximum torque density, less-detent torque, and better positional accuracy and smooth static torque profile, different pitch slotting with equal tooth width has to be provided. From the various FE models subjected to analysis trapezoidal teeth configuration with unequal tooth pitch on the stator and rotor is found to be the best configuration and is selected for fabrication. The designed motor is fabricated and the experimental results is compared with the FE results

Stability of preconditioned finite volume schemes at low Mach numbers

In [4], Guillard and Viozat propose a finite volume method for the simulation of inviscid steady as well as unsteady flows at low Mach numbers, based on a preconditioning technique. The scheme satisfies the results of a single scale asymptotic analysis in a discrete sense and comprises the advantage that this can be derived by a slight modification of the dissipation term within the numerical flux function. Unfortunately, it can be observed by numerical experiments that the preconditioned approach combined with an explicit time integration scheme turns out to be unstable if the time step Dt does not satisfy the requirement to be O(M2) as the Mach number M tends to zero, whereas the corresponding standard method remains stable up to Dt=O(M), M to 0, which results from the well-known CFL-condition. We present a comprehensive mathematical substantiation of this numerical phenomenon by means of a von Neumann stability analysis, which reveals that in contrast to the standard approach, the dissipation matrix of the preconditioned numerical flux function possesses an eigenvalue growing like M-2 as M tends to zero, thus causing the diminishment of the stability region of the explicit scheme. Thereby, we present statements for both the standard preconditioner used by Guillard and Viozat [4] and the more general one due to Turkel [21]. The theoretical results are after wards confirmed by numerical experiments.

Relativistische vier und zwei Spinor Finite Elemente Berechnungen zweiatomiger Moleküle

Der Vielelektronen Aspekt wird in einteilchenartigen Formulierungen berücksichtigt, entweder in Hartree-Fock Näherung oder unter dem Einschluß der Elektron-Elektron Korrelationen durch die Dichtefunktional Theorie. Da die Physik elektronischer Systeme (Atome, Moleküle, Cluster, Kondensierte Materie, Plasmen) relativistisch ist, habe ich von Anfang an die relativistische 4 Spinor Dirac Theorie eingesetzt, in jüngster Zeit aber, und das wird der hauptfortschritt in den relativistischen Beschreibung durch meine Promotionsarbeit werden, eine ebenfalls voll relativistische, auf dem sogenannten Minimax Prinzip beruhende 2-Spinor Theorie umgesetzt. Im folgenden ist eine kurze Beschreibung meiner Dissertation: Ein wesentlicher Effizienzgewinn in der relativistischen 4-Spinor Dirac Rechnungen konnte durch neuartige singuläre Koordinatentransformationen erreicht werden, so daß sich auch noch für das superschwere Th2 179+ hächste Lösungsgenauigkeiten mit moderatem Computer Aufwand ergaben, und zu zwei weiteren interessanten Veröffentlichungen führten (Publikationsliste). Trotz der damit bereits ermöglichten sehr viel effizienteren relativistischen Berechnung von Molekülen und Clustern blieben diese Rechnungen Größenordnungen aufwendiger als entsprechende nicht-relativistische. Diese behandeln das tatsächliche (relativitische) Verhalten elektronischer Systeme nur näherungsweise richtig, um so besser jedoch, je leichter die beteiligten Atome sind (kleine Kernladungszahl Z). Deshalb habe ich nach einem neuen Formalismus gesucht, der dem möglichst gut Rechnung trägt und trotzdem die Physik richtig relativistisch beschreibt. Dies gelingt durch ein 2-Spinor basierendes Minimax Prinzip: Systeme mit leichten Atomen sind voll relativistisch nunmehr nahezu ähnlich effizient beschrieben wie nicht-relativistisch, was natürlich große Hoffnungen für genaue (d.h. relativistische) Berechnungen weckt. Es ergab sich eine erste grundlegende Veröffentlichung (Publikationsliste). Die Genauigkeit in stark relativistischen Systemen wie Th2 179+ ist ähnlich oder leicht besser als in 4-Spinor Dirac-Formulierung. Die Vorteile der neuen Formulierung gehen aber entscheidend weiter: A. Die neue Minimax Formulierung der Dirac-Gl. ist frei von spuriosen Zuständen und hat keine positronischen Kontaminationen. B. Der Aufwand ist weit reduziert, da nur ein 1/3 der Matrix Elemente gegenüber 4-Spinor noch zu berechnen ist, und alle Matrixdimensionen Faktor 2 kleiner sind. C. Numerisch verhält sich die neue Formulierung ähnlilch gut wie die nichtrelativistische Schrödinger Gleichung (Obwohl es eine exakte Formulierung und keine Näherung der Dirac-Gl. ist), und hat damit bessere Konvergenzeigenschaften als 4-Spinor. Insbesondere die Fehlerwichtung (singulärer und glatter Anteil) ist in 2-Spinor anders, und diese zeigt die guten Extrapolationseigenschaften wie bei der nichtrelativistischen Schrödinger Gleichung. Die Ausweitung des Anwendungsbereichs von (relativistischen) 2-Spinor ist bereits in FEM Dirac-Fock-Slater, mit zwei Beispielen CO und N2, erfolgreich gemacht. Weitere Erweiterungen sind nahezu möglich. Siehe Minmax LCAO Nährung.

Micro-electromechanical structural design and optimization of vertical cavity photonic devices with wide continuous tuning

Diese Arbeit umfaßt das elektromechanische Design und die Designoptimierung von weit durchstimmbaren optischen multimembranbasierten Bauelementen, mit vertikal orientierten Kavitäten, basierend auf der Finiten Element Methode (FEM). Ein multimembran InP/Luft Fabry-Pérot optischer Filter wird dargestellt und umfassend analysiert. In dieser Arbeit wird ein systematisches strukturelles Designverfahren dargestellt. Genaue analytische elektromechanischer Modelle für die Bauelemente sind abgeleitet worden. Diese können unschätzbare Werkzeuge sein, um am Anfang der Designphase schnell einen klaren Einblick zur Verfügung zu stellen. Mittels des FEM Programms ist der durch die nicht-lineare Verspannung hervorgerufene versteifende Effekt nachgeforscht und sein Effekt auf die Verlängerung der mechanischen Durchstimmungsstrecke der Bauelemente demonstriert worden. Interessant war auch die Beobachtung, dass die normierte Relation zwischen Ablenkung und Spannung ein unveränderliches Profil hat. Die Deformation der Membranflächen der in dieser Arbeit dargestellten Bauelementformen erwies sich als ein unerwünschter, jedoch manchmal unvermeidbarer Effekt. Es zeigt sich aber, dass die Wahl der Größe der strukturellen Dimensionen den Grad der Membrandeformation im Falle der Aktuation beeinflusst. Diese Arbeit stellt ein elektromechanisches in FEMLAB implementierte quasi-3D Modell, das allgemein für die Modellierung dünner Strukturen angewendet werden kann, dar; und zwar indem man diese als 2D-Objekte betrachtet und die dritte Dimension als eine konstante Größe (z.B. die Schichtdicke) oder eine Größe, welche eine mathematische Funktion ist, annimmt. Diese Annahme verringert drastisch die Berechnungszeit sowie den erforderlichen Arbeitsspeicherbedarf. Weiter ist es für die Nachforschung des Effekts der Skalierung der durchstimmbaren Bauelemente verwendet worden. Eine neuartige Skalierungstechnik wurde abgeleitet und verwendet. Die Ergebnisse belegen, dass das daraus resultierende, skalierte Bauelement fast genau die gleiche mechanische Durchstimmung wie das unskalierte zeigt. Die Einbeziehung des Einflusses von axialen Verspannungen und Gradientenverspannungen in die Berechnungen erforderte die Änderung der Standardimplementierung des 3D Mechanikberechnungsmodus, der mit der benutzten FEM Software geliefert wurde. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen einen großen Einfluss der Verspannung auf die Durchstimmungseigenschaften der untersuchten Bauelemente. Ferner stimmten die Ergebnisse der theoretischen Modellrechnung mit den experimentellen Resultaten sehr gut überein.