Anomalous crossover between thermal and shot noise in macroscopic diffusive conductors

We predict the existence of an anomalous crossover between thermal and shot noise in macroscopic diffusive conductors. We first show that, besides thermal noise, these systems may also exhibit shot noise due to fluctuations of the total number of carriers in the system. Then we show that at increasing currents the crossover between the two noise behaviors is anomalous, in the sense that the low-frequency current spectral density displays a region with a superlinear dependence on the current up to a cubic law. The anomaly is due to the nontrivial coupling in the presence of the long-range Coulomb interaction among the three time scales relevant to the phenomenon, namely, diffusion, transit, and dielectric relaxation time.

Shot noise anomalies in elastic nondegenerate diffusive conductors

We present a theoretical investigation of shot-noise properties in nondegenerate elastic diffusive conductors. Both Monte Carlo simulations and analytical approaches are used. Two interesting phenomena are found: (i) the display of enhanced shot noise for given energy dependences of the scattering time, and (ii) the recovery of full shot noise for asymptotic high applied bias. The first phenomenon is associated with the onset of negative differential conductivity in energy space that drives the system towards a dynamical electrical instability in excellent agreement with analytical predictions. The enhancement is found to be strongly amplified when the dimensionality in momentum space is lowered from three to two dimensions. The second phenomenon is due to the suppression of the effects of long-range Coulomb correlations that takes place when the transit time becomes the shortest time scale in the system, and is common to both elastic and inelastic nondegenerate diffusive conductors. These phenomena shed different light in the understanding of the anomalous behavior of shot noise in mesoscopic conductors, which is a signature of correlations among different current pulses.

Impedance field and transition from thermal to shot noise in Cd1-xZnxTe semi-insulating Ohmic detectors

Within a drift-diffusion model we investigate the role of the self-consistent electric field in determining the impedance field of a macroscopic Ohmic (linear) resistor made by a compensated semi-insulating semiconductor at arbitrary values of the applied voltage. The presence of long-range Coulomb correlations is found to be responsible for a reshaping of the spatial profile of the impedance field. This reshaping gives a null contribution to the macroscopic impedance but modifies essentially the transition from thermal to shot noise of a macroscopic linear resistor. Theoretical calculations explain a set of noise experiments carried out in semi-insulating CdZnTe detectors.

Calorimetry of hydrogen desorption from a-Si nanoparticles

The process of hydrogen desorption from amorphous silicon (a-Si) nanoparticles grown by plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) has been analyzed by differential scanning calorimetry (DSC), mass spectrometry, and infrared spectroscopy, with the aim of quantifying the energy exchanged. Two exothermic peaks centered at 330 and 410 C have been detected with energies per H atom of about 50 meV. This value has been compared with the results of theoretical calculations and is found to agree with the dissociation energy of Si-H groups of about 3.25 eV per H atom, provided that the formation energy per dangling bond in a-Si is about 1.15 eV. It is shown that this result is valid for a-Si:H films, too.

Diffusive transport properties in monovalent and divalent metal-ion halide melts: A computer simulation study

Self- and cross-velocity correlation functions and related transport coefficients of molten salts are studied by molecular-dynamics simulation. Six representative systems are considered, i.e., NaCl and KCl alkali halides, CuCl and CuBr noble-metal halides, and SrCl2 and ZnCl2 divalent metal-ion halides. Computer simulation results are compared with experimental self-diffusion coefficients and electrical conductivities. Special attention is paid to dynamic cross correlations and their dependence on the Coulomb interactions as well as on the size and mass differences between anions and cations.

Self-consistent theory of current and voltage noise in multimode ballistic conductors

Electron transport in a self-consistent potential along a ballistic two-terminal conductor has been investigated. We have derived general formulas which describe the nonlinear current-voltage characteristics, differential conductance, and low-frequency current and voltage noise assuming an arbitrary distribution function and correlation properties of injected electrons. The analytical results have been obtained for a wide range of biases: from equilibrium to high values beyond the linear-response regime. The particular case of a three-dimensional Fermi-Dirac injection has been analyzed. We show that the Coulomb correlations are manifested in the negative excess voltage noise, i.e., the voltage fluctuations under high-field transport conditions can be less than in equilibrium.

Shot-noise spectroscopy of energy resolved ballistic currents

We investigate the shot noise of nonequilibrium carriers injected into a ballistic conductor and interacting via long-range Coulomb forces. Coulomb interactions are shown to act as an energy analyzer of the profile of injected electrons by means of the fluctuations of the potential barrier at the emitter contact. We show that the details in the energy profile can be extracted from shot-noise measurements in the Coulomb interaction regime, but cannot be obtained from time-averaged quantities or shot-noise measurements in the absence of interactions.

Heat transfer between nanoparticles: Thermal conductance for near-field interactions

We analyze the heat transfer between two nanoparticles separated by a distance lying in the near-field domain in which energy interchange is due to the Coulomb interactions. The thermal conductance is computed by assuming that the particles have charge distributions characterized by fluctuating multipole moments in equilibrium with heat baths at two different temperatures. This quantity follows from the fluctuation-dissipation theorem for the fluctuations of the multipolar moments. We compare the behavior of the conductance as a function of the distance between the particles with the result obtained by means of molecular dynamics simulations. The formalism proposed enables us to provide a comprehensive explanation of the marked growth of the conductance when decreasing the distance between the nanoparticles.

Performance of correlation functionals in ab initio chemisorption cluster-model calculations: Alkali metals on Si(111)

The performance of different correlation functionals has been tested for alkali metals, Li to Cs, interacting with cluster models simulating different active sites of the Si(111) surface. In all cases, the ab initio Hartree-Fock density has been obtained and used as a starting point. The electronic correlation energy is then introduced as an a posteriori correction to the Hartree-Fock energy using different correlation functionals. By making use of the ionic nature of the interaction and of different dissociation limits we have been able to prove that all functionals tested introduce the right correlation energy, although to a different extent. Hence, correlation functionals appear as an effective and easy way to introduce electronic correlation in the ab initio Hartree-Fock description of the chemisorption bond in complex systems where conventional configuration interaction techniques cannot be used. However, the calculated energies may differ by some tens of eV. Therefore, these methods can be employed to get a qualitative idea of how important correlation effects are, but they have some limitations if accurate binding energies are to be obtained.

Development of a cell culture system from the ovarian tissue of African catfish Clarias gariepinus

A growth medium with Leibovitz-15 L-15.as the base, supplemented with foetal bovine serum 10% vrv., fish muscle extract 10% vrv., prawn muscle extract 10% vrv., lectin concanavalin A. 0.02 mg mly1., lipopolysaccharide 0.02 mg mly1., glucose D 0.2 mg mly1., ovary extract 0.5% vrv.and prawn haemolymph 0.5%. has been formulated with 354"10 mOsm for the development and maintenance of a cell culture system from the ovarian tissue of African catfish, Clarias gariepinus. For its subculturing, a cell dissociationrextracting solution, composed of equal portions of trypsin phosphate versene glucose TPVG. containing 0.0125% wrv.trypsin and 25% vrv.non-enzymatic cell dissociation solution 1 and 2, has also been developed with which the cell culture can be passaged 15 times after which they cease to multiply and consequently perish. The cell cultures can be maintained for 12–15 days without fluid change between the passages. This is the first report of a cell culture system from the ovarian tissues of African catfish

A novel medium for the development of in vitro cell culture system from Penaeus monodon

Lack of a valid shrimp cell line has been hampering the progress of research on shrimp viruses. One of the reasons identified was the absence of an appropriate medium which would satisfy the requirements of the cells in vitro. We report the first attempt to formulate an exclusive shrimp cell culture medium (SCCM) based on the haemolymph components of Penaeus monodon prepared in isosmotic seawater having 27 % salinity. The SCCM is composed of 22 amino acids, 4 sugars, 6 vitamins, cholesterol, FBS, phenol red, three antibiotics, potassium dihydrogen phosphate and di-sodium hydrogen phosphate at pH 6.8–7.2. Osmolality was adjusted to 720 ± 10 mOsm kg-1 and temperature of incubation was 25 8C. The most appropriate composition was finally selected based on the extent of attachment of cells and their proliferation by visual observation. Metabolic activity of cultured cells was measured by MTT assay and compared with that in L-15 (29), modified L-15 and Grace’s insect medium, and found better performance in SCCM especially for lymphoid cells with 107 % increase in activity and 85 ± 9 days of longevity. The cells from ovary and lymphoid organs were passaged twice using the newly designed shrimp cell dissociation ‘‘cocktail’’.

Alkaline protease from a non-toxigenic mangrove isolate of Vibrio sp. V26 with potential application in animal cell culture

Vibrio sp. V26 isolated from mangrove sediment showed 98 % similarity to 16S rRNA gene of Vibrio cholerae, V. mimicus, V. albensis and uncultured clones of Vibrio. Phenotypically also it resembled both V. cholerae and V. mimicus.Serogrouping, virulence associated gene profiling, hydrophobicity, and adherence pattern clearly pointed towards the non—toxigenic nature of Vibrio sp. V26. Purification and characterization of the enzyme revealed that it was moderately thermoactive, nonhemagglutinating alkaline metalloprotease with a molecular mass of 32 kDa. The application of alkaline protease from Vibrio sp. V26 (APV26) in sub culturing cell lines (HEp-2, HeLa and RTG-2) and dissociation of animal tissue (chick embryo) for primary cell culture were investigated. The time required for dissociation of cells as well as the viable cell yield obtained by while administeringAPV26 and trypsin were compared. Investigations revealed that the alkaline protease of Vibrio sp. V26 has the potential to be used in animal cell culture for subculturing cell lines and dissociation of animal tissue for the development of primary cell cultures, which has not been reported earlier among metalloproteases of Vibrios.

Two-photon ionization of atomic inner-shells

Die Summation ueber des vollstaendige Spektrum des Atoms, die in der Stoehrungstheorie zweiter Ordnung vorkommt, wurde mit Hilfe der Greenschen Funktion Methode berechnet. Die Methode der Greenschen Funktion verlangt die Berechnung der unterschiedlichen Greenschen Funktionen: eine Coulomb-Greensche-Funktion im Fall von wasserstoffaehnlichen Ionen und eine Zentral-feld-Greensche-Funktion im Fall des Vielelektronen-Atoms. Die entwickelte Greensche Funktion erlaubte uns die folgenden atomaren Systeme in die Zweiphotonenionisierung der folgenden atomaren Systeme zu untersuchen: - wasserstoffaehnliche Ionen, um relativistische und Multipol-Effekte aufzudecken, - die aeussere Schale des Lithium; Helium und Helium-aehnliches Neon im Grundzustand, um taugliche Modelle des atomaren Feldes zu erhalten, - K- und L-Schalen des Argon, um die Vielelektronen-Effekte abzuschaetzen. Zusammenfassend, die relativistische Effekte ergeben sich in einer allgemeinen Reduzierung der Zweiphotonen Wirkungsquerschnitte. Zum Beispiel, betraegt das Verhaeltnis zwischen den nichtrelativistischen und relativistischen Wirkungsquerschnitten einen Faktor zwei fuer wasserstoffaehnliches Uran. Ausser dieser relativistischen Kontraktion, ist auch die relativistische Aufspaltung der Zwischenzustaende fuer mittelschwere Ionen sichtbar. Im Gegensatz zu den relativistischen Effekten, beeinflussen die Multipol-Effekte die totalen Wirkungsquerschnitte sehr wenig, so dass die Langwellennaeherung mit der exakten Naeherung fuer schwere Ionen sogar innerhalb von 5 Prozent uebereinstimmt. Die winkelaufgeloesten Wirkungsquerschnitte werden durch die relativistischen Effekte auf eine beeindruckende Weise beeinflusst: die Form der differentiellen Wirkungsquerschnitte aendert sich (qualitativ) abhaengig von der Photonenenergie. Ausserdem kann die Beruecksichtigung der hoeheren Multipole die elektronische Ausbeute um einen Faktor drei aendern. Die Vielelektronen-Effekte in der Zweiphotonenionisierung wurden am Beispiel der K- und L-Schalen des Argon analysiert. Hiermit wurden die totalen Wirkungsquerschnitte in einer Ein-aktives-Elektron-Naeherung (single-active-electron approximation) berechnet. Es hat sich herausgestellt, dass die Elektron--Elektron-Wechselwirkung sehr wichtig fuer die L-Schale und vernachlaessigbar fuer die K-Schale ist. Das bedeutet, dass man die totalen Wirkungsquerschnitte mit wasserstoffaehnlichen Modellen im Fall der K-Schale beschreiben kann, aber fuer die L-Schale fortgeschrittene Modelle erforderlich sind. Die Ergebnisse fuer Vielelektronen-Atome wurden mittels einer Dirac-Zentral-feld-Greenschen Funktion erlangt. Ein numerischer Algorithmus wurde urspruenglich von McGuire (1981) fuer der Schroedinger-Zentral-feld-Greensche Funktion eingefuehrt. Der Algorithmus wurde in dieser Arbeit zum ersten Mal fuer die Dirac-Gleichung angewandt. Unser Algorithmus benutzt die Kummer- und Tricomi-Funktionen, die mit Hilfe eines zuverlaessigen, aber noch immer langsamen Programmes berechnet wurden. Die Langsamkeit des Programms begrenzt den Bereich der Aufgaben, die effizient geloest werden koennen. Die Zentral-feld-Greensche Funktion konnte bei den folgenden Problemen benutzt werden: - Berechnung der Zweiphotonen-Zerfallsraten, - Berechnung der Zweiphotonenanregung und -ionisierungs-Wirkungsquerschnitte, - Berechnung die Multiphotonenanregung und -ionisierungs-Wirkungsquerschnitte, - Berechnung einer atomaren Vielelektronen-Green-Funktion. Von diesen Aufgaben koennen nur die ersten beiden in angemessener Zeit geloest werden. Fuer die letzten beiden Aufgaben ist unsere Implementierung zu langsam und muss weiter verbessert werden.

Systematic multi-configuration calculations on structures and properties of complex atoms

Die relativistische Multikonfigurations Dirac-Fock (MCDF) Methode ist gegenwärtig eines der am häufigsten benutzten Verfahren zur Berechnung der elektronischen Struktur und der Eigenschaften freier Atome. In diesem Verfahren werden die Wellenfunktionen ausgewählter atomarer Zustände als eine Linearkombination von sogenannten Konfigurationszuständen (CSF - Configuration State Functions) konstruiert, die in einem Teilraum des N-Elektronen Hilbert-Raumes eine (Vielteilchen-)Basis aufspannen. Die konkrete Konstruktion dieser Basis entscheidet letzlich über die Güte der Wellenfunktionen, die üblicherweise mit Hilfe einer Variation des Erwartungswertes zum no-pair Dirac-Coulomb Hamiltonoperators gewonnen werden. Mit Hilfe von MCDF Wellenfunktionen können die dominanten relativistischen und Korrelationseffekte in freien Atomen allgemein recht gut erfaßt und verstanden werden. Außer der instantanen Coulombabstoßung zwischen allen Elektronenpaaren werden dabei auch die relativistischen Korrekturen zur Elektron-Elektron Wechselwirkung, d.h. die magnetischen und Retardierungsbeiträge in der Wechselwirkung der Elektronen untereinander, die Ankopplung der Elektronen an das Strahlungsfeld sowie der Einfluß eines ausgedehnten Kernmodells erfaßt. Im Vergleich mit früheren MCDF Rechnungen werden in den in dieser Arbeit diskutierten Fallstudien Wellenfunktionsentwicklungen verwendet, die um 1-2 Größenordnungen aufwendiger sind und daher systematische Untersuchungen inzwischen auch an Atomen mit offenen d- und f-Schalen erlauben. Eine spontane Emission oder Absorption von Photonen kann bei freien Atomen theoretisch am einfachsten mit Hilfe von Übergangswahrscheinlichkeiten erfaßt werden. Solche Daten werden heute in vielen Forschungsbereichen benötigt, wobei neben den traditionellen Gebieten der Fusionsforschung und Astrophysik zunehmend auch neue Forschungsrichtungen (z.B. Nanostrukturforschung und Röntgenlithographie) zunehmend ins Blickfeld rücken. Um die Zuverlässigkeit unserer theoretischen Vorhersagen zu erhöhen, wurde in dieser Arbeit insbesondere die Relaxation der gebundenen Elektronendichte, die rechentechnisch einen deutlich größeren Aufwand erfordert, detailliert untersucht. Eine Berücksichtigung dieser Relaxationseffekte führt oftmals auch zu einer deutlich besseren Übereinstimmung mit experimentellen Werten, insbesondere für dn=1 Übergänge sowie für schwache und Interkombinationslinien, die innerhalb einer Hauptschale (dn=0) vorkommen. Unsere in den vergangenen Jahren verbesserten Rechnungen zu den Wellenfunktionen und Übergangswahrscheinlichkeiten zeigen deutlich den Fortschritt bei der Behandlung komplexer Atome. Gleichzeitig kann dieses neue Herangehen künftig aber auch auf (i) kompliziertere Schalensstrukturen, (ii) die Untersuchung von Zwei-Elektronen-ein-Photon (TEOP) Übergängen sowie (iii) auf eine Reihe weiterer atomarer Eigenschaften übertragen werden, die bekanntermaßen empflindlich von der Relaxation der Elektronendichte abhängen. Dies sind bspw. Augerzerfälle, die atomare Photoionisation oder auch strahlende und dielektronische Rekombinationsprozesse, die theoretisch bisher nur selten überhaupt in der Dirac-Fock Näherung betrachtet wurden.

Polarization and correlation phenomena in the radiative electron capture by bare highly-charged ions

In dieser Arbeit wird die Wechselwirkung zwischen einem Photon und einem Elektron im starken Coulombfeld eines Atomkerns am Beispiel des radiativen Elektroneneinfangs beim Stoß hochgeladener Teilchen untersucht. In den letzten Jahren wurde dieser Ladungsaustauschprozess insbesondere für relativistische Ion–Atom–Stöße sowohl experimentell als auch theoretisch ausführlich erforscht. In Zentrum standen dabei haupsächlich die totalen und differentiellen Wirkungsquerschnitte. In neuerer Zeit werden vermehrt Spin– und Polarisationseffekte sowie Korrelationseffekte bei diesen Stoßprozessen diskutiert. Man erwartet, dass diese sehr empfindlich auf relativistische Effekte im Stoß reagieren und man deshalb eine hervorragende Methode zu deren Bestimmung erhält. Darüber hinaus könnten diese Messungen auch indirekt dazu führen, dass man die Polarisation des Ionenstrahls bestimmen kann. Damit würden sich neue experimentelle Möglichkeiten sowohl in der Atom– als auch der Kernphysik ergeben. In dieser Dissertation werden zunächst diese ersten Untersuchungen zu den Spin–, Polarisations– und Korrelationseffekten systematisch zusammengefasst. Die Dichtematrixtheorie liefert hierzu die geeignete Methode. Mit dieser Methode werden dann die allgemeinen Gleichungen für die Zweistufen–Rekombination hergeleitet. In diesem Prozess wird ein Elektron zunächst radiativ in einen angeregten Zustand eingefangen, der dann im zweiten Schritt unter Emission des zweiten (charakteristischen) Photons in den Grundzustand übergeht. Diese Gleichungen können natürlich auf beliebige Mehrstufen– sowie Einstufen–Prozesse erweitert werden. Im direkten Elektroneneinfang in den Grundzustand wurde die ”lineare” Polarisation der Rekombinationsphotonen untersucht. Es wurde gezeigt, dass man damit eine Möglichkeit zur Bestimmung der Polarisation der Teilchen im Eingangskanal des Schwerionenstoßes hat. Rechnungen zur Rekombination bei nackten U92+ Projektilen zeigen z. B., dass die Spinpolarisation der einfallenden Elektronen zu einer Drehung der linearen Polarisation der emittierten Photonen aus der Streuebene heraus führt. Diese Polarisationdrehung kann mit neu entwickelten orts– und polarisationsempfindlichen Festkörperdetektoren gemessen werden. Damit erhält man eine Methode zur Messung der Polarisation der einfallenden Elektronen und des Ionenstrahls. Die K–Schalen–Rekombination ist ein einfaches Beispiel eines Ein–Stufen–Prozesses. Das am besten bekannte Beispiel der Zwei–Stufen–Rekombination ist der Elektroneneinfang in den 2p3/2–Zustand des nackten Ions und anschließendem Lyman–1–Zerfall (2p3/2 ! 1s1/2). Im Rahmen der Dichte–Matrix–Theorie wurden sowohl die Winkelverteilung als auch die lineare Polarisation der charakteristischen Photonen untersucht. Beide (messbaren) Größen werden beträchtlich durch die Interferenz des E1–Kanals (elektrischer Dipol) mit dem viel schwächeren M2–Kanal (magnetischer Quadrupol) beeinflusst. Für die Winkelverteilung des Lyman–1 Zerfalls im Wasserstoff–ähnlichen Uran führt diese E1–M2–Mischung zu einem 30%–Effekt. Die Berücksichtigung dieser Interferenz behebt die bisher vorhandene Diskrepanz von Theorie und Experiment beim Alignment des 2p3/2–Zustands. Neben diesen Ein–Teichen–Querschnitten (Messung des Einfangphotons oder des charakteristischen Photons) wurde auch die Korrelation zwischen den beiden berechnet. Diese Korrelationen sollten in X–X–Koinzidenz–Messungen beobbachtbar sein. Der Schwerpunkt dieser Untersuchungen lag bei der Photon–Photon–Winkelkorrelation, die experimentell am einfachsten zu messen ist. In dieser Arbeit wurden ausführliche Berechnungen der koinzidenten X–X–Winkelverteilungen beim Elektroneneinfang in den 2p3/2–Zustand des nackten Uranions und beim anschließenden Lyman–1–Übergang durchgeführt. Wie bereits erwähnt, hängt die Winkelverteilung des charakteristischen Photons nicht nur vom Winkel des Rekombinationsphotons, sondern auch stark von der Spin–Polarisation der einfallenden Teilchen ab. Damit eröffnet sich eine zweite Möglichkeit zur Messung der Polaristion des einfallenden Ionenstrahls bzw. der einfallenden Elektronen.