Pulsed-field studies of the magnetization reversal in molecular nanomagnets

We report experimental studies of crystals of Mn12 molecular magnetic clusters in pulsed magnetic fields with sweep rates up to 410^3 T/s . The steps in the magnetization curve are observed at fields that are shifted with respect to the resonant field values. The shift systematically increases as the rate of the field sweep goes up. These data are consistent with the theory of the collective dipolar relaxation in molecular magnets.

Digitales stochastisches Magnetfeld-Sensorarray

Digitales stochastisches Magnetfeld-Sensorarray Stefan Rohrer Im Rahmen eines mehrjährigen Forschungsprojektes, gefördert von der Deutschen Forschungsgesellschaft (DFG), wurden am Institut für Mikroelektronik (IPM) der Universität Kassel digitale Magnetfeldsensoren mit einer Breite bis zu 1 µm entwickelt. Die vorliegende Dissertation stellt ein aus diesem Forschungsprojekt entstandenes Magnetfeld-Sensorarray vor, das speziell dazu entworfen wurde, um digitale Magnetfelder schnell und auf minimaler Fläche mit einer guten räumlichen und zeitlichen Auflösung zu detektieren. Der noch in einem 1,0µm-CMOS-Prozess gefertigte Test-Chip arbeitet bis zu einer Taktfrequenz von 27 MHz bei einem Sensorabstand von 6,75 µm. Damit ist er das derzeit kleinste und schnellste digitale Magnetfeld-Sensorarray in einem Standard-CMOS-Prozess. Konvertiert auf eine 0,09µm-Technologie können Frequenzen bis 1 GHz erreicht werden bei einem Sensorabstand von unter 1 µm. In der Dissertation werden die wichtigsten Ergebnisse des Projekts detailliert beschrieben. Basis des Sensors ist eine rückgekoppelte Inverter-Anordnung. Als magnetfeldsensitives Element dient ein auf dem Hall-Effekt basierender Doppel-Drain-MAGFET, der das Verhalten der Kippschaltung beeinflusst. Aus den digitalen Ausgangsdaten kann die Stärke und die Polarität des Magnetfelds bestimmt werden. Die Gesamtanordnung bildet einen stochastischen Magnetfeld-Sensor. In der Arbeit wird ein Modell für das Kippverhalten der rückgekoppelten Inverter präsentiert. Die Rauscheinflüsse des Sensors werden analysiert und in einem stochastischen Differentialgleichungssystem modelliert. Die Lösung der stochastischen Differentialgleichung zeigt die Entwicklung der Wahrscheinlichkeitsverteilung des Ausgangssignals über die Zeit und welche Einflussfaktoren die Fehlerwahrscheinlichkeit des Sensors beeinflussen. Sie gibt Hinweise darauf, welche Parameter für das Design und Layout eines stochastischen Sensors zu einem optimalen Ergebnis führen. Die auf den theoretischen Berechnungen basierenden Schaltungen und Layout-Komponenten eines digitalen stochastischen Sensors werden in der Arbeit vorgestellt. Aufgrund der technologisch bedingten Prozesstoleranzen ist für jeden Detektor eine eigene kompensierende Kalibrierung erforderlich. Unterschiedliche Realisierungen dafür werden präsentiert und bewertet. Zur genaueren Modellierung wird ein SPICE-Modell aufgestellt und damit für das Kippverhalten des Sensors eine stochastische Differentialgleichung mit SPICE-bestimmten Koeffizienten hergeleitet. Gegenüber den Standard-Magnetfeldsensoren bietet die stochastische digitale Auswertung den Vorteil einer flexiblen Messung. Man kann wählen zwischen schnellen Messungen bei reduzierter Genauigkeit und einer hohen lokalen Auflösung oder einer hohen Genauigkeit bei der Auswertung langsam veränderlicher Magnetfelder im Bereich von unter 1 mT. Die Arbeit präsentiert die Messergebnisse des Testchips. Die gemessene Empfindlichkeit und die Fehlerwahrscheinlichkeit sowie die optimalen Arbeitspunkte und die Kennliniencharakteristik werden dargestellt. Die relative Empfindlichkeit der MAGFETs beträgt 0,0075/T. Die damit erzielbaren Fehlerwahrscheinlichkeiten werden in der Arbeit aufgelistet. Verglichen mit dem theoretischen Modell zeigt das gemessene Kippverhalten der stochastischen Sensoren eine gute Übereinstimmung. Verschiedene Messungen von analogen und digitalen Magnetfeldern bestätigen die Anwendbarkeit des Sensors für schnelle Magnetfeldmessungen bis 27 MHz auch bei kleinen Magnetfeldern unter 1 mT. Die Messungen der Sensorcharakteristik in Abhängigkeit von der Temperatur zeigen, dass die Empfindlichkeit bei sehr tiefen Temperaturen deutlich steigt aufgrund der Abnahme des Rauschens. Eine Zusammenfassung und ein ausführliches Literaturverzeichnis geben einen Überblick über den Stand der Technik.

Relativistic LCAO with Minimax Principle and New Balanced Basis Sets

Relativistic density functional theory is widely applied in molecular calculations with heavy atoms, where relativistic and correlation effects are on the same footing. Variational stability of the Dirac Hamiltonian is a very important field of research from the beginning of relativistic molecular calculations on, among efforts for accuracy, efficiency, and density functional formulation, etc. Approximations of one- or two-component methods and searching for suitable basis sets are two major means for good projection power against the negative continuum. The minimax two-component spinor linear combination of atomic orbitals (LCAO) is applied in the present work for both light and super-heavy one-electron systems, providing good approximations in the whole energy spectrum, being close to the benchmark minimax finite element method (FEM) values and without spurious and contaminated states, in contrast to the presence of these artifacts in the traditional four-component spinor LCAO. The variational stability assures that minimax LCAO is bounded from below. New balanced basis sets, kinetic and potential defect balanced (TVDB), following the minimax idea, are applied with the Dirac Hamiltonian. Its performance in the same super-heavy one-electron quasi-molecules shows also very good projection capability against variational collapse, as the minimax LCAO is taken as the best projection to compare with. The TVDB method has twice as many basis coefficients as four-component spinor LCAO, which becomes now linear and overcomes the disadvantage of great time-consumption in the minimax method. The calculation with both the TVDB method and the traditional LCAO method for the dimers with elements in group 11 of the periodic table investigates their difference. New bigger basis sets are constructed than in previous research, achieving high accuracy within the functionals involved. Their difference in total energy is much smaller than the basis incompleteness error, showing that the traditional four-spinor LCAO keeps enough projection power from the numerical atomic orbitals and is suitable in research on relativistic quantum chemistry. In scattering investigations for the same comparison purpose, the failure of the traditional LCAO method of providing a stable spectrum with increasing size of basis sets is contrasted to the TVDB method, which contains no spurious states already without pre-orthogonalization of basis sets. Keeping the same conditions including the accuracy of matrix elements shows that the variational instability prevails over the linear dependence of the basis sets. The success of the TVDB method manifests its capability not only in relativistic quantum chemistry but also for scattering and under the influence of strong external electronic and magnetic fields. The good accuracy in total energy with large basis sets and the good projection property encourage wider research on different molecules, with better functionals, and on small effects.

Magneto-optische Oberflächenplasmonresonanzeffekte in austauschverschobenen Dünnschichtsystemen

Die Wechselwirkungen zwischen Biomolekülen spielen eine zentrale Rolle in der biochemischen und pharmazeutischen Forschung. In der biomolekularen Interaktionsanalyse sind dabei Biosensoren auf Basis des Oberflächenplasmonresonanzeffekts (SPR-Effekt) weitverbreitet. Seit Einführung der ersten kommerziellen SPR-Biosensoren Anfang der 1990er Jahre wurden verschiedenste Messanordnungen sowie Materialsysteme mit dem Ziel einer möglichst hohen Empfindlichkeit getestet. Eine Möglichkeit zur Steigerung der Empfindlichkeit klassischer SPR-Systeme bieten sogenannte magneto-optische SPR-Biosensoren (MOSPR-Biosensoren). Grundlage der Empfindlichkeitssteigerung ist die gleichzeitige Messung des SPR-Effekts und des transversalen magneto-optischen KERR-Effekts (tMOKE). Bisherige Untersuchungen haben sich meist auf den Einfluss der Magnetisierung freier ferromagnetischer Schichten beschränkt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden erstmals austauschverschobene Dünnschichtsysteme (EB-Systeme), eine Kombination aus Ferromagnet und Antiferromagnet, hinsichtlich ihrer Eignung für SPR- und MOSPR-basierte biosensorische Anwendungen untersucht. Aufgrund der remanenten Magnetisierung der ferromagnetischen Schicht und ihrer magnetischen Strukturierbarkeit sind EB-Systeme eine hochinteressante Plattform zur Realisierung neuer Biosensorkonzepte. Zur Reduzierung der stark dämpfendenden Wirkung magnetischer Materialien wurde das hier betrachtete IrMn/Co EB-System zwischen zwei Goldschichten eingebettet. Eine Gegenüberstellung optimierter Au/ IrMn/Co/Au-Systeme mit einem reinen Au-System, wie es typischerweise in kommerziellen SPR-basierten Biosensoren eingesetzt wird, demonstriert, dass mit den entwickelten EB-Systemen vergleichbare Empfindlichkeiten in SPR-Sensor-Anwendungen erreicht werden können. Die magneto-optische Aktivität der untersuchten Dünnschichtsysteme liegt im Bereich der Literaturwerte für Au/Co/Au-Systeme, mit denen erhöhte Empfindlichkeiten gegenüber Standard-SPR-Biosensoren realisiert wurden. Auf Grundlage magnetisch strukturierter Au/IrMn/Co/Au-Systeme wurden neue Biosensorkonzepte entwickelt und getestet. Erste Experimente belegen, dass mit diesen Schichtsystemen eine gleichzeitige Detektion der magnetisierungsabhängigen Reflektivitäten in ortsauflösenden MOSPR-Messungen möglich ist. Eine solche Messanordnung profitiert von der erhöhten Empfindlichkeit MOSPR-basierter Biosensoren, hohen Messgeschwindigkeiten und einem verbesserten Signal-Rausch-Verhältnis. Weiterhin wurde der domänenwandassistierte Transport (DOWMAT) superparamagnetischer Partikel über der Oberfläche eines exemplarischen EB-Systems, zur Sensorintegration von Misch-, Reinigungs- und Aufkonzentrationsfunktionen erfolgreich getestet. Die Ergebnisse demonstrieren, dass ein Transport von Partikelreihen mit hohen Geschwindigkeiten bei moderaten externen Magnetfeldern über den entwickelten Schichtsystemen möglich ist. Die Agglomeration der Partikel wird dabei intrinsisch vermieden. Diese Beobachtungen verdeutlichen die Vorzüge des DOWMAT-Mechanismus für biosensorische Anwendungen. Die präsentierten Untersuchungen bilden die Grundlage auf dem Weg zur Umsetzung neuer vielversprechender Biosensorkonzepte, die eine Schlüsselfunktion in der medizinischen point-of-care-Diagnostik bei der Detektion kleinster Konzentrationen krankheitsrelevanter Biomarker einnehmen können.

Bestimmung der magnetischen Streufeldstärke von künstlichen magnetischen Domänen austauschverschobener Dünnschichtsysteme und deren Einfluss auf die Selbstassemblierung organischer Moleküle

Die lokale Anlagerung molekularer Substanzen auf Oberflächen ist technologisch von großem Interesse. Die Beeinflussung selbstassemblierender Materialien bietet dabei große Vorteile, da sie kostengünstig und großflächig angewendet werden kann. Untersuchungen einer solchen Beeinflussung mithilfe von magnetischen Feldern wurden bisher jedoch noch nicht durchgeführt. Ursache hierfür ist das, insbesondere bei der Verwendung von diamagnetischen Substanzen, geringe induzierte magnetische Moment und die daraus resultierenden geringen magnetischen Kräfte. In der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, ob es möglich ist, die lokale Anlagerung von selbstassemblierenden, diamagnetischen Substanzen durch die Verwendung von magnetischen Streufeldern zu beeinflussen und somit ein Schichtwachstum bevorzugt in gewünschten Bereichen eines Substrats zu erreichen. Es wurde ein austauschverschobenes Dünnschichtsystem über das Verfahren der ionenbeschuss-induzierten magnetischen Strukturierung mit einem künstlichen Domänenmuster in streifenförmiger Anordnung im Mikrometermaßstab erzeugt. Über experimentelle Untersuchungen wurden die aus diesem Schichtsystem austretenden magnetischen Streufelder erstmals quantifiziert. Die experimentell unvermeidbaren Mittelungen und technischen Limitierungen wurden mithilfe eines theoretischen Modells herausgerechnet, sodass letztlich die resultierende Magnetfeldlandschaft in allen drei Dimensionen über der Probenoberfläche erhalten wurde. Durch die Bestimmung der magnetischen Suszeptibilitäten der hier verwendeten thioethersubstituierten Subphthalocyanin-Derivate konnte somit die Berechnung der induzierten magnetischen Kräfte erfolgen, deren Vergleich mit Literaturwerten eine erfolgreiche Beeinflussung der Anlagerung dieser Substanzen erhoffen ließ. Aufgrund der Kombination diverser, anspruchsvoller Nachweisverfahren konnte der experimentelle Beweis für die erfolgreiche Positionierung der molekularen Substanzen durch die magnetischen Streufelder des Dünnschichtsystems erbracht werden. Zunächst wurde nachgewiesen, dass sich die Subphthalocyanin-Derivate auf der Probenoberfläche befinden und in einer mit der Periode der magnetischen Domänenstruktur korrelierenden Geometrie anlagern. Über Untersuchungen an Synchrotronstrahlungsquellen konnte die magnetische Streifenstruktur mit der Struktur der angelagerten Moleküle überlagert werden, sodass bekannt wurde, dass sich die Moleküle bevorzugt in den magnetisch begünstigten Bereichen anlagern. Um mögliche Einflüsse einer eventuell durch den magnetischen Strukturierungsprozess lokal modifizierten Substratoberfläche als Ursache für die lokale Molekülanlagerung ausschließen zu können, wurden zusätzliche Referenzmessungen durchgeführt. Alle Untersuchungen zeigen, dass die Molekülpositionierung auf der Wechselwirkung der diamagnetischen Substanzen mit den Streufeldern des Substrats zurückzuführen ist. Der im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Mechanismus der magnetischen Beeinflussung der lokalen Molekülanlagerung besagt dabei, dass insbesondere die Oberflächendiffusion der selbstassemblierenden Substanz durch die in-plane-Magnetfeldkomponente beeinflusst wird und vermutlich die Nukleationsphase der Selbstassemblierung entscheidend für die lokale Materialabscheidung ist. Es konnte in dieser Arbeit somit gezeigt werden, dass eine Beeinflussung der Selbstassemblierung von diamagnetischen Subphthalocyanin-Derivaten und somit eine lokal bevorzugte Anlagerung dieser Substanzen durch magnetische Streufelder von magnetisch strukturierten austauschverschobenen Dünnschichtsystemen erreicht werden kann. Es resultiert somit eine neue Möglichkeit die technologisch wichtigen Selbstassemblierungsprozesse nun auch über magnetische Streufelder beeinflussen und kontrollieren zu können. Durch die hohe Flexibilität bei den Strukturierungsmöglichkeiten der magnetischen Domänengeometrien der hier verwendeten austauschverschobenen Dünnschichtsysteme resultieren aus den hier gezeigten Ergebnissen vielfältige Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der Beschichtungstechnik.

Imagem por ressonância magnética da vasculatura da pele humana : viabilidade no contexto clínico

Imagiologia por Ressonância Magnética (IRM) é uma modalidade de imagem médica que está a recuperar o interesse como uma técnica não invasiva no estudo da pele. Tipicamente campos magnéticos de elevada densidade e quipamentos específicos são usados. Este facto limita o usos da técnica a laboratórios e centros de investigação especializados. Neste trabalho estudou-se a viabilidade do uso da IRM no estudo da pele e da sua vasculatura usando equipamento convencional disponível em contexto clínico. Sequências IRM para imagem estrutural e veascular foram optimizadas e testadas para obtenção de imagens da pele do punho de 6 voluntários saudáveis. As sequências observáveis dos vasos, razão sinal-ruído, e razão contraste-ruído. Foi observado que duas sequências volumétricas baseadas em eco de gradiente e com ponderações T1 e T2 forneciam informação complementar em respeito à vasculatura da pele com resoluções espaciais da ordem dos micrómetros, podendo ainda esta informação ser fundida com imagens estruturais das cadamas da pele. Foi igualmente observado que estas sequências fornecem informação útil usando equipamento convencional e perspectiva-se a sua utilização no estudo das vasculatura de tumores cutâneos e na doença vascular periférica.

Intermittent release of transients in the slow solar wind: 2. In situ evidence

In paper 1, we showed that the Heliospheric Imager (HI) instruments on the pair of NASA STEREO spacecraft can be used to image the streamer belt and, in particular, the variability of the slow solar wind which originates near helmet streamers. The observation of intense intermittent transient outflow by HI implies that the corresponding in situ observations of the slow solar wind and corotating interaction regions (CIRs) should contain many signatures of transients. In the present paper, we compare the HI observations with in situ measurements from the STEREO and ACE spacecraft. Analysis of the solar wind ion, magnetic field, and suprathermal electron flux measurements from the STEREO spacecraft reveals the presence of both closed and partially disconnected interplanetary magnetic field lines permeating the slow solar wind. We predict that one of the transients embedded within the second CIR (CIR‐D in paper 1) should impact the near‐Earth ACE spacecraft. ACE measurements confirm the presence of a transient at the time of CIR passage; the transient signature includes helical magnetic fields and bidirectional suprathermal electrons. On the same day, a strahl electron dropout is observed at STEREO‐B, correlated with the passage of a high plasma beta structure. Unlike ACE, STEREO‐B observes the transient a few hours ahead of the CIR. STEREO‐A, STEREO‐B, and ACE spacecraft observe very different slow solar wind properties ahead of and during the CIR analyzed in this paper, which we associate with the intermittent release of transients.

Solar induced climate effects

Solar electromagnetic radiation powers Earth’s climate system and, consequently, it is often naively assumed that changes in this solar output must be responsible for changes in Earth’s climate. However, the Sun is close to a blackbody radiator and so emits according to its surface temperature and the huge thermal time constant of the outer part of the Sun limits the variability in surface temperature and hence output. As a result, on all timescales of interest, changes in total power output are limited to small changes in effective surface temperature (associated with magnetic fields) and potential, although as yet undetected, solar radius variations. Larger variations are seen in the UV part of the spectrum which is emitted from the lower solar atmosphere (the chromosphere) and which influences Earth’s stratosphere. There is interest in“top-down” mechanisms whereby solar UV irradiance modulates stratospheric temperatures and winds which, in turn, may influence the underlying troposphere where Earth’s climate and weather reside. This contrasts with “bottom-up” effects in which the small total solar irradiance (dominated by the visible and near-IR) variations cause surface temperature changes which drive atmospheric circulations. In addition to these electromagnetic outputs, the Sun modulates energetic particle fluxes incident on the Earth. Solar Energetic Particles (SEP) are emitted by solar flares and from the shock fronts ahead of supersonic (and super-Alfvenic) ejections of material from the solar atmosphere. These SEPs enhance the destruction of polar stratospheric ozone which could be an additional form of top-down climate forcing. Even more energetic are Galactic Cosmic Rays (GCRs). These particles are not generated by the Sun, rather they originate at the shock fronts emanating from violent galactic events such as supernovae explosions; however, the expansion of the solar magnetic field into interplanetary space means that the Sun modulates the number of GCRs reaching Earth. These play a key role in enabling Earth’s global electric (thunderstorm) circuit and it has been proposed that they also modulate the formation of clouds. Both electromagnetic and corpuscular solar effects are known to vary over the solar magnetic cycle which is typically between 10 and 14 yrs in length (with an average close to 11 yrs). The solar magnetic field polarity at any one phase of one of these activity cycles is opposite to that at the same phase of the next cycle and this influences some phenomena, for example GCRs, which therefore show a 22 yr (“Hale”) cycle on average. Other phenomena, such as irradiance modulation, do not depend on the polarity of the magnetic field and so show only the basic 11-yr activity cycle. However, any effects on climate are much more significant for solar drifts over centennial timescales. This chapter discusses and evaluates potential effects on Earth’s climate system of variations in these solar inputs. Because of the great variety of proposed mechanisms, the wide range of timescales studied (from days to millennia) and the many debates (often triggered by the application of inadequate statistical methods), the literature on this subject is vast, complex, divergent and rapidly changing: consequently the number of references cited in this review is very large (yet still only a small fraction of the total).

Coupling between mesogenic units and polymer backbone in side-chain liquid crystal polymers and elastomers

The levels of alignment of the mesogenic units and of the polymer backbone trajectory for polyacrylate based nematic side-chain liquid crystal polymers and elastomers were evaluated by using wide angle X-ray and small angle neutron scattering procedures. The X-ray scattering measurements show that substantial levels of preferred orientation of the mesogenic units may be introduced through magnetic fields for uncrosslinked polymers and through mechanical extension for liquid crystal elastomers. Small angle neutron scattering measurements show that for highly aligned samples an anisotropic polymer backbone trajectory is observed in which the envelope is slightly extended by ∼ 10% in the direction parallel to the axis of alignment of the mesogenic units. The sense of this coupling differs from that recorded for other uncrosslinked side-chain liquid crystal polymers. Possible mechanisms to account for this anisotropy and its relationship to the properties of liquid crystal elastomers are discussed. The observed deformation behaviour of the liquid crystal elastomer is non-affine and this appears to confirm the dominating influence of the liquid crystal order of the side chains on the mechanical properties of these novel networks.

Dynamic simulation studies of structural formation and transition in electro-magneto-rheological fluids

The computer simulation method has been used to study the structural formation and transition of electro-magneto-rheological (EMR) fluids under compatible electric and magnetic fields. When the fields are applied simultaneously and perpendicularly to each other, the particles rapidly arrange into two-dimensional close-packed layer structures parallel to both fields. The layers then combine together to form thicker sheet-like structures, which finally relax into three-dimensional close-packed structures with the help of the thermal fluctuations. On the other hand, if the electric field is applied firstly to induce the body-centered tetragonal (BCT) columns in the system, and then the magnetic field is applied in the perpendicular direction. the BCT to face-centered cubic (FCC) structure transition is observed in very short time. Following that. the structure keeps on evolving due to the demagnetization effect and finally form the three-dimensional close-packed structures.

Simulation of field-induced structural formation and transition in electromagnetorheological suspensions

A computer simulation method has been used to study the three-dimensional structural formation and transition of eleetromagnetorheological (EMR) suspensions under compatible electric and magnetic fields. When the fields are applied simultaneously and perpendicularly to each other, the particles rapidly arrange into single layer structures parallel to both fields. In each layer, there is a two-dimensional hexagonal lattice. The single layers then combine together to form thicker sheetlike structures. With the help of the thermal fluctuations, the thicker structures relax into three-dimensional close-packed structures, which may be face-centered cubic (fcc), hexagonal close-packed (hup) lattices, or, more probably, the mixture of them, depending on the initial configurations and the thermal fluctuations. On the other hand, if the electric field is applied first to induce the body-centered tetragonal (bct) columns in the system, and then the magnetic field is applied in the perpendicular direction, the bet to fee structure transition is observed in a very short time. Following that, the structure keeps on evolving due to the demagnetization effect and finally forms close-packed structures with fee and hcp lattice character. The simulation results are in agreement with the theoretical and experimental results.

A magnetometer for the Solar Orbiter mission

The magnetometer is a key instrument to the Solar Orbiter mission. The magnetic field is a fundamental parameter in any plasma: a precise and accurate measurement of the field is essential for understanding almost all aspects of plasma dynamics such as shocks and stream-stream interactions. Many of Solar Orbiter’s mission goals are focussed around the link between the Sun and space. A combination of in situ measurements by the magnetometer, remote measurements of solar magnetic fields and global modelling is required to determine this link and hence how the Sun affects interplanetary space. The magnetic field is typically one of the most precisely measured plasma parameters and is therefore the most commonly used measurement for studies of waves, turbulence and other small scale phenomena. It is also related to the coronal magnetic field which cannot be measured directly. Accurate knowledge of the magnetic field is essential for the calculation of fundamental plasma parameters such as the plasma beta, Alfvén speed and gyroperiod. We describe here the objectives and context of magnetic field measurements on Solar Orbiter and an instrument that fulfils those objectives as defined by the scientific requirements for the mission.

What do cosmogenic isotopes tell us about past solar forcing of climate?

In paleoclimate studies, cosmogenic isotopes are frequently used as proxy indicators of past variations in solar irradiance on centennial and millennial timescales. These isotopes are spallation products of galactic cosmic rays (GCRs) impacting Earth’s atmosphere, which are deposited and stored in terrestrial reservoirs such as ice sheets, ocean sediments and tree trunks. On timescales shorter than the variations in the geomagnetic field, they are modulated by the heliosphere and thus they are, strictly speaking, an index of heliospheric variability rather than one of solar variability. Strong evidence of climate variations associated with the production (as opposed to the deposition) of these isotopes is emerging. This raises a vital question: do cosmic rays have a direct influence on climate or are they a good proxy indicator for another factor that does (such as the total or spectral solar irradiance)? The former possibility raises further questions about the possible growth of air ions generated by cosmic rays into cloud condensation nuclei and/or the modulation of the global thunderstorm electric circuit. The latter possibility requires new understanding about the required relationship between the heliospheric magnetic fields that scatter cosmic rays and the photospheric magnetic fields which modulate solar irradiance.

Transient reconnection: Search for ionospheric signatures

The concept of magnetic reconnection originated with the suggestion by Giovanelli [1946] that particles could be energized during solar flares near nulls in the magnetic field. Hoyle [1949] subsequently proposed that such a process could also act at nulls between the geomagnetic field and the interplanetary magnetic field (IMF) to generate the energized particles responsible for auroral displays. However, the idea of the interconnection of the two magnetic fields, as we know it today, was first presented by Hoyle's student, Dungey [1953, 1961].

MAGNETOHYDRODYNAMIC SIMULATIONS OF RECONNECTION AND PARTICLE ACCELERATION: THREE-DIMENSIONAL EFFECTS

Magnetic fields can change their topology through a process known as magnetic reconnection. This process in not only important for understanding the origin and evolution of the large-scale magnetic field, but is seen as a possibly efficient particle accelerator producing cosmic rays mainly through the first-order Fermi process. In this work we study the properties of particle acceleration inserted in reconnection zones and show that the velocity component parallel to the magnetic field of test particles inserted in magnetohydrodynamic (MHD) domains of reconnection without including kinetic effects, such as pressure anisotropy, the Hall term, or anomalous effects, increases exponentially. Also, the acceleration of the perpendicular component is always possible in such models. We find that within contracting magnetic islands or current sheets the particles accelerate predominantly through the first-order Fermi process, as previously described, while outside the current sheets and islands the particles experience mostly drift acceleration due to magnetic field gradients. Considering two-dimensional MHD models without a guide field, we find that the parallel acceleration stops at some level. This saturation effect is, however, removed in the presence of an out-of-plane guide field or in three-dimensional models. Therefore, we stress the importance of the guide field and fully three-dimensional studies for a complete understanding of the process of particle acceleration in astrophysical reconnection environments.