Chaperonin-facilitated protein folding: optimization of rate and yield by an iterative annealing mechanism.

We develop a heuristic model for chaperonin-facilitated protein folding, the iterative annealing mechanism, based on theoretical descriptions of "rugged" conformational free energy landscapes for protein folding, and on experimental evidence that (i) folding proceeds by a nucleation mechanism whereby correct and incorrect nucleation lead to fast and slow folding kinetics, respectively, and (ii) chaperonins optimize the rate and yield of protein folding by an active ATP-dependent process. The chaperonins GroEL and GroES catalyze the folding of ribulose bisphosphate carboxylase at a rate proportional to the GroEL concentration. Kinetically trapped folding-incompetent conformers of ribulose bisphosphate carboxylase are converted to the native state in a reaction involving multiple rounds of quantized ATP hydrolysis by GroEL. We propose that chaperonins optimize protein folding by an iterative annealing mechanism; they repeatedly bind kinetically trapped conformers, randomly disrupt their structure, and release them in less folded states, allowing substrate proteins multiple opportunities to find pathways leading to the most thermodynamically stable state. By this mechanism, chaperonins greatly expand the range of environmental conditions in which folding to the native state is possible. We suggest that the development of this device for optimizing protein folding was an early and significant evolutionary event.

Estabilidade de vórtices em condensados de Bose-Einstein

Neste trabalho de mestrado é estudada a estabilidade de vórtices em condensados de Bose-Einstein com interação atrativa entre os átomos através da solução numérica da equação de Gross-Pitaevskii. Inicialmente são reproduzidos resultados da literatura, nos quais são estudados vórtices em condensados bidimensionais atrativos com potencial interatômico homogêneo em todo o condensado. A estabilidade de tais sistemas é inferida através da solução numérica das equações de Bogoliubov-de Gennes e da evolução temporal dos vórtices. Demonstra-se que esses vórtices são estáveis, até um certo número crítico de átomos, apenas para valores de vorticidade S=1. Em seguida foi proposto um modelo no qual a interação entre os átomos é espacialmente modulada. Neste caso é possível demonstrar que vórtices com valores de vorticidade de até S=6, pelo menos, são estáveis. Finalmente é estudada a estabilidade de vórtices em condensados tridimensionais atrativos, novamente com potencial interatômico homogêneo em todo o condensado. Assim como no caso bidimensional mostra-se que tais vórtices são estáveis para valores de vorticidade de S=1. Espera-se em breve estudar a estabilidade de vórtices em condesados tridimensionais com potencial de interação espacialmente modulado.

Excitations in Bose-Einstein condensates: collective modes, quantum turbulence and matter wave statistics

In this thesis, we present the generation and studies of a 87Rb Bose-Einstein condensate (BEC) perturbed by an oscillatory excitation. The atoms are trapped in a harmonic magnetic trap where, after an evaporative cooling process, we produce the BEC. In order to study the effect caused by oscillatory excitations, a quadrupole magnetic field time oscillatory is superimposed to the trapping potential. Through this perturbation, collective modes were observed. The dipole mode is excited even for low excitation amplitudes. However, a minimum excitation energy is needed to excite the condensate quadrupole mode. Observing the excited cloud in TOF expansion, we note that for excitation amplitude in which the quadrupole mode is excited, the cloud expands without invert its aspect ratio. By looking these clouds, after long time-of-flight, it was possible to see vortices and, sometimes, a turbulent state in the condensed cloud. We calculated the momentum distribution of the perturbed BECs and a power law behavior, like the law to Kolmogorov turbulence, was observed. Furthermore, we show that using the method that we have developed to calculate the momentum distribution, the distribution curve (including the power law exponent) exhibits a dependence on the quadrupole mode oscillation of the cloud. The randomness distribution of peaks and depletions in density distribution image of an expanded turbulent BEC, remind us to the intensity profile of a speckle light beam. The analogy between matter-wave speckle and light speckle is justified by showing the similarities in the spatial propagation (or time expansion) of the waves. In addition, the second order correlation function is evaluated and the same dependence with distance was observed for the both waves. This creates the possibility to understand the properties of quantum matter in a disordered state. The propagation of a three-dimensional speckle field (as the matter-wave speckle described here) creates an opportunity to investigate the speckle phenomenon existing in dimensions higher than 2D (the case of light speckle).

Estudo experimental do fenômeno de vibração induzida por vórtices em cilindro rígido livre para oscilar com dois graus de liberdade.

O fenômeno de vibração induzida por vórtices (VIV) é um problema fundamental dentro da Mecânica dos Fluidos e um exemplo importante de interação fluido-estrutura. Esta tese investiga fenômeno de VIV quando um cilindro rígido, submetido a escoamento uniforme, está livre para oscilar na direção transversal e alinhada com a corrente incidente. A tese foi estruturada ao redor de sete perguntas relacionadas ao fenômeno de VIV: 1) O fenômeno e os resultados experimentais são repetitivos? 2) Como ocorre a transição entre ramos de resposta? 3) Qual é o papel da inércia da estrutura oscilante? 4) Qual é o papel de sua rigidez? 5) Quais são as frequências naturais mais importantes da estrutura? 6) Quais padrões de esteira se desenvolvem para VIV com dois graus de liberdade? 7) Quais são os efeitos do movimento na direção alinhada com a corrente no processo de formação e desprendimento de vórtices? O fenômeno de VIV é estudado de maneira experimental em uma base elástica pendular capaz de oscilar com o mesmo momento de inércia e frequência natural nas duas direções. Os experimentos de VIV foram realizados em canal de água recirculante e com diferentes condições de inércia e rigidez. A técnica de velocimetria por imagem de partículas foi usada e permitiu identificar diferentes padrões de esteira de vórtices. Verificou-se que o VIV é repetitivo a nível de amplitudes médias e frequências dominantes. A transição dos ramos pode ocorrer de maneira intermitente ou com histerese. Os parâmetros de inércia e rigidez da estrutura são capazes de mudar o regime de oscilação e, para algumas condições, suprimir as vibrações alinhadas com a corrente. Dentre os padrões de esteira observados, um deles não havia sido relatado na literatura e é definido nesta tese. O novo modo de emissão apresenta dois vórtices com circulação oposta e elevada intensidade emitidos por ciclo. A influência da direção alinhada com o escoamento está relacionada a dois efeitos: a velocidade relativa entre o cilindro e o fluido, responsável pelo aumento da circulação dos vórtices na esteira, e o ângulo de fase do movimento nas direções alinhada e transversal, capaz de mudar o processo de formação dos vórtices.

Modelo computacional para avaliação do desempenho hidrodinâmico de embarcações de planeio em águas calmas.

Em geral, uma embarcação de planeio é projetada para atingir elevados níveis de velocidade. Esse atributo de desempenho está diretamente relacionado ao porte da embarcação e à potência instalada em sua planta propulsiva. Tradicionalmente, durante o projeto de uma embarcação, as análises de desempenho são realizadas através de resultados de embarcações já existentes, retirados de séries sistemáticas ou de embarcações já desenvolvidas pelo estaleiro e/ou projetista. Além disso, a determinação dos atributos de desempenho pode ser feita através de métodos empíricos e/ou estatísticos, onde a embarcação é representada através de seus parâmetros geométricos principais; ou a partir de testes em modelos em escala reduzida ou protótipos. No caso específico de embarcações de planeio, o custo dos testes em escala reduzida é muito elevado em relação ao custo de projeto. Isso faz com que a maioria dos projetistas não opte por ensaios experimentais das novas embarcações em desenvolvimento. Ao longo dos últimos anos, o método de Savitsky foi largamente utilizado para se realizar estimativas de potência instalada de uma embarcação de planeio. Esse método utiliza um conjunto de equações semi-empíricas para determinar os esforços atuantes na embarcação, a partir dos quais é possível determinar a posição de equilíbrio de operação e a força propulsora necessária para navegar em uma dada velocidade. O método de Savitsky é muito utilizado nas fases iniciais de projeto, onde a geometria do casco ainda não foi totalmente definida, pois utiliza apenas as características geométricas principais da embarcação para realização das estimativas de esforços. À medida que se avança nas etapas de projeto, aumenta o detalhamento necessário das estimativas de desempenho. Para a realização, por exemplo, do projeto estrutural é necessária uma estimativa do campo de pressão atuante no fundo do casco, o qual não pode ser determinado pelo método de Savitsky. O método computacional implementado nesta dissertação, tem o objetivo de determinar as características do escoamento e o campo de pressão atuante no casco de uma embarcação de planeio navegando em águas calmas. O escoamento é determinado através de um problema de valor de contorno, no qual a superfície molhada no casco é considerada um corpo esbelto. Devido ao uso da teoria de corpo esbelto o problema pode ser tratado, separadamente, em cada seção, onde as condições de contorno são forçadamente respeitadas através de uma distribuição de vórtices.

Otimização acústica e análise numérica do escoamento ao redor de um conjunto cilindro-placa separadora.

RESUMO Simulações de aeroacústica computacional demandam uma quantidade considerável de tempo, o que torna complicada a realização de estudos paramétricos. O presente trabalho propõe uma metodologia viável para otimização aeroacústica. Através da análise numérica utilizando dinâmica dos fluidos computacional, foi estudada a aplicação de uma placa separadora desacoplada como método de controle passivo da esteira turbulenta de um cilindro e avaliou-se a irradiação de ruído causado pela interação do escoamento com ambos os corpos, empregando ferramentas de aeroacústica computacional baseadas no método de Ffowcs-Williams e Hawkings. Algumas abordagens distintas de metodologias de otimização de projeto foram aplicadas neste problema, com o objetivo de chegar a uma configuração otimizada que permita a redução do nível sonoro ao longe. Assim, utilizando uma ferramenta de otimização multidisciplinar, pode-se avaliar a capacidade de modelos heurísticos e a grande vantagem do emprego de algoritmos baseados em método de superfície de resposta quando aplicados em um problema não linear, pois requerem a avaliação de um menor número de alternativas para se obter um ponto ótimo. Além disso, foi possível identificar e agrupar os resultados em 5 clusters baseados em seus parâmetros geométricos, nível de pressão sonora global e o valor quadrático médio do coeficiente de arrasto, confirmando a eficiência da aplicação de placas separadoras longas desacopladas posicionadas próximas ao cilindro na estabilização da esteira turbulenta, enquanto que o posicionamento de placas acima de um espaçamento crítico aumentou o nível de pressão acústica irradiado devido à formação de vórtices no espaço entre o cilindro e a placa separadora.

Electrical control of a single Mn atom in a quantum dot

We report on the reversible electrical control of the magnetic properties of a single Mn atom in an individual quantum dot. Our device permits us to prepare the dot in states with three different electric charges, 0, +1e, and -1e which result in dramatically different spin properties, as revealed by photoluminescence. Whereas in the neutral configuration the quantum dot is paramagnetic, the electron-doped dot spin states are spin rotationally invariant and the hole-doped dot spins states are quantized along the growth direction.

Storage of classical information in quantum spins

Digital magnetic recording is based on the storage of a bit of information in the orientation of a magnetic system with two stable ground states. Here we address two fundamental problems that arise when this is done on a quantized spin: quantum spin tunneling and backaction of the readout process. We show that fundamental differences exist between integer and semi-integer spins when it comes to both reading and recording classical information in a quantized spin. Our findings imply fundamental limits to the miniaturization of magnetic bits and are relevant to recent experiments where a spin-polarized scanning tunneling microscope reads and records a classical bit in the spin orientation of a single magnetic atom.

Electronic properties of transition metal atoms on Cu2N/Cu(100)

We study the nature of spin excitations of individual transition metal atoms (Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, and Ni) deposited on a Cu2N/Cu(100) surface using both spin-polarized density functional theory (DFT) and exact diagonalization of an Anderson model derived from DFT. We use DFT to compare the structural, electronic, and magnetic properties of different transition metal adatoms on the surface. We find that the average occupation of the transition metal d shell, main contributor to the magnetic moment, is not quantized, in contrast with the quantized spin in the model Hamiltonians that successfully describe spin excitations in this system. In order to reconcile these two pictures, we build a zero bandwidth multi-orbital Anderson Hamiltonian for the d shell of the transition metal hybridized with the p orbitals of the adjacent nitrogen atoms, by means of maximally localized Wannier function representation of the DFT Hamiltonian. The exact solutions of this model have quantized total spin, without quantized charge at the d shell. We propose that the quantized spin of the models actually belongs to many-body states with two different charge configurations in the d shell, hybridized with the p orbital of the adjacent nitrogen atoms. This scenario implies that the measured spin excitations are not fully localized at the transition metal.

Imaging of spin waves in atomically designed nanomagnets

The spin dynamics of all ferromagnetic materials are governed by two types of collective phenomenon: spin waves and domain walls. The fundamental processes underlying these collective modes, such as exchange interactions and magnetic anisotropy, all originate at the atomic scale. However, conventional probing techniques based on neutron1 and photon scattering2 provide high resolution in reciprocal space, and thereby poor spatial resolution. Here we present direct imaging of standing spin waves in individual chains of ferromagnetically coupled S = 2 Fe atoms, assembled one by one on a Cu2N surface using a scanning tunnelling microscope. We are able to map the spin dynamics of these designer nanomagnets with atomic resolution in two complementary ways. First, atom-to-atom variations of the amplitude of the quantized spin-wave excitations are probed using inelastic electron tunnelling spectroscopy. Second, we observe slow stochastic switching between two opposite magnetization states3, 4, whose rate varies strongly depending on the location of the tip along the chain. Our observations, combined with model calculations, reveal that switches of the chain are initiated by a spin-wave excited state that has its antinodes at the edges of the chain, followed by a domain wall shifting through the chain from one end to the other. This approach opens the way towards atomic-scale imaging of other types of spin excitation, such as spinon pairs and fractional end-states5, 6, in engineered spin chains.

The emergence of classical behaviour in magnetic adatoms

A wide class of nanomagnets shows striking quantum behaviour, known as quantum spin tunnelling (QST): instead of two degenerate ground states with opposite magnetizations, a bonding-antibonding pair forms, resulting in a splitting of the ground-state doublet with wave functions linear combination of two classically opposite magnetic states, leading to the quenching of their magnetic moment. Here we study how QST is destroyed and classical behaviour emerges in the case of magnetic adatoms, where, contrary to larger nanomagnets, the QST splitting is in some instances bigger than temperature and broadening. We analyze two different mechanisms for the renormalization of the QST splitting: Heisenberg exchange between different atoms, and Kondo exchange interaction with the substrate electrons. Sufficiently strong spin-substrate and spin-spin coupling renormalize the QST splitting to zero allowing the environmental decoherence to eliminate superpositions between classical states, leading to the emergence of spontaneous magnetization. Importantly, we extract the strength of the Kondo exchange for various experiments on individual adatoms and construct a phase diagram for the classical to quantum transition.

Properties of the stochastic Gross-Pitaevskii equation: finite temperature Ehrenfest relations and the optimal plane wave representation

We present Ehrenfest relations for the high temperature stochastic Gross-Pitaevskii equation description of a trapped Bose gas, including the effect of growth noise and the energy cutoff. A condition for neglecting the cutoff terms in the Ehrenfest relations is found which is more stringent than the usual validity condition of the truncated Wigner or classical field method-that all modes are highly occupied. The condition requires a small overlap of the nonlinear interaction term with the lowest energy single particle state of the noncondensate band, and gives a means to constrain dynamical artefacts arising from the energy cutoff in numerical simulations. We apply the formalism to two simple test problems: (i) simulation of the Kohn mode oscillation for a trapped Bose gas at zero temperature, and (ii) computing the equilibrium properties of a finite temperature Bose gas within the classical field method. The examples indicate ways to control the effects of the cutoff, and that there is an optimal choice of plane wave basis for a given cutoff energy. This basis gives the best reproduction of the single particle spectrum, the condensate fraction and the position and momentum densities.

Simulation of a complete reflected shock tunnel showing a vortex mechanism for flow contamination

Simulations of a complete reflected shock tunnel facility have been performed with the aim of providing a better understanding of the flow through these facilities. In particular, the analysis is focused on the premature contamination of the test flow with the driver gas. The axisymmetric simulations model the full geometry of the shock tunnel and incorporate an iris-based model of the primary diaphragm rupture mechanics, an ideal secondary diaphragm and account for turbulence in the shock tube boundary layer with the Baldwin-Lomax eddy viscosity model. Two operating conditions were examined: one resulting in an over-tailored mode of operation and the other resulting in approximately tailored operation. The accuracy of the simulations is assessed through comparison with experimental measurements of static pressure, pitot pressure and stagnation temperature. It is shown that the widely-accepted driver gas contamination mechanism in which driver gas 'jets' along the walls through action of the bifurcated foot of the reflected shock, does not directly transport the driver gas to the nozzle at these conditions. Instead, driver gas laden vortices are generated by the bifurcated reflected shock. These vortices prevent jetting of the driver gas along the walls and convect driver gas away from the shock tube wall and downstream into the nozzle. Additional vorticity generated by the interaction of the reflected shock and the contact surface enhances the process in the over-tailored case. However, the basic mechanism appears to operate in a similar way for both the over-tailored and the approximately tailored conditions.

A bang-bang PLL employing dynamic gain control for low jitter and fast lock times

Bang-bang phase detector based PLLs are simple to design, suffer no systematic phase error, and can run at the highest speed a process can make a working flip-flop. For these reasons designers are employing them in the design of very high speed Clock Data Recovery (CDR) architectures. The major drawback of this class of PLL is the inherent jitter due to quantized phase and frequency corrections. Reducing loop gain can proportionally improve jitter performance, but also reduces locking time and pull-in range. This paper presents a novel PLL design that dynamically scales its gain in order to achieve fast lock times while improving fitter performance in lock. Under certain circumstances the design also demonstrates improved capture range. This paper also analyses the behaviour of a bang-bang type PLL when far from lock, and demonstrates that the pull-in range is proportional to the square root of the PLL loop gain.

Experimental Measurements of Velocity and Pressure Distribution on a Large Broad-Crested Weir

Basic experiments were conducted in a near full-scale broad-crested weir. Detailed velocity and pressure measurements were performed for two configurations. The results showed the rapid flow distribution at the upstream end of the weir, while an overhanging crest design may affect the flow field. The study showed further that large vortical structures might be observed immediately upstream of the weir and impact adversely on the overflow.