Novel Magnetic Materials Based on Macrocyclic Ligands: Towards High Relaxivity Contrast Agents and Mononuclear Single-Molecule Magnets

The preparation and characterization of coordination complexes of Schiff-base and crown ether macrocycles is presented, for application as contrast agents for magnetic resonance imaging, Project 1; and single-molecule magnets (SMMs), Projects 2 and 3. In Project 1, a family of eight Mn(II) and Gd(III) complexes of N3X2 (X = NH, O) and N3O3 Schiff-base macrocycles were synthesized, characterized, and evaluated as potential contrast agents for MRI. In vitro and in vivo (rodent) studies indicate that the studied complexes display efficient contrast behaviour, negligible toxicity, and rapid excretion. In Project 2, DyIII complexes of Schiff-base macrocycles were prepared with a view to developing a new family of mononuclear Ln-SMMs with pseudo-D5h geometries. Each complex displayed slow relaxation of magnetization, with magnetically-derived energy barriers in the range Ueff = 4 – 24 K. In Project 3, coordination complexes of selected later lanthanides with various crown ether ligands were synthesized. Two families of complexes were structurally and magnetically analyzed: ‘axial’ or sandwich-type complexes based on 12-crown-4 and 15-crown-5; and ‘equatorial’ complexes based on 18-crown-6. Magnetic data are supported by ab initio calculations and luminescence measurements. Significantly, the first mononuclear Ln-SMM prepared from a crown ether ligand is described.

Investigation of Frustrated Quasi-One-Dimensional Quantum Spin-Chain Materials

Copper arsenite CuAs2O4 and Copper antimonite CuSb2O4 are S=1/2 (Cu2+ 3d9 electronic configuration) quasi-one-dimensional quantum spin-chain compounds. Both compounds crystallize with tetragonal structures containing edge sharing CuO6 octahedra chains which experience Jahn-Teller distortions. The basal planes of the octahedra link together to form CuO2 ribbon-chains which harbor Cu2+ spin-chains. These compounds are magnetically frustrated with competing nearest-neighbour and next-nearest-neighbour intrachain spin-exchange interactions. Despite the similarities between CuAs2O4 and CuSb2O4, they exhibit very different magnetic properties. In this thesis work, the physical properties of CuAs2O4 and CuSb2O4 are investigated using a variety of experimental techniques which include x-ray diffraction, magnetic susceptibility measurements, heat capacity measurements, Raman spectroscopy, electron paramagnetic resonance, neutron diffraction, and dielectric capacitance measurements. CuAs2O4 exhibits dominant ferromagnetic nearest-neighbour and weaker antiferromagnetic next-nearest-neighbour intrachain spin-exchange interactions. The ratio of the intrachain interactions amounts to Jnn/Jnnn = -4.1. CuAs2O4 was found to order with a ferromagnetic groundstate below TC = 7.4 K. An extensive physical characterization of the magnetic and structural properties of CuAs2O4 was carried out. Under the effect of hydrostatic pressure, CuAs2O4 was found to undergo a structural phase transition at 9 GPa to a new spin-chain structure. The structural phase transition is accompanied by a severe alteration of the magnetic properties. The high-pressure phase exhibits dominant ferromagnetic next-nearest-neighbour spin-exchange interactions and weaker ferromagnetic nearest-neighbour interactions. The ratio of the intrachain interactions in the high-pressure phase was found to be Jnn/Jnnn = 0.3. Structural and magnetic characterizations under hydrostatic pressure are reported and a relationship between the structural and magnetic properties was established. CuSb2O4 orders antiferromagnetically below TN = 1.8 K with an incommensurate helicoidal magnetic structure. CuSb2O4 is characterized by ferromagnetic nearest-neighbour and antiferromagnetic next-nearest-neighbour spin-exchange interactions with Jnn/Jnnn = -1.8. A (H, T) magnetic phase diagram was constructed using low-temperature magnetization and heat capacity measurements. The resulting phase diagram contains multiple phases as a consequence of the strong intrachain magnetic frustration. Indications of ferroelectricity were observed in the incommensurate antiferromagnetic phase.

High-Spin and Emissive Molecular Materials: Synthesis and Characterization of New Polynuclear Ni(II) Complexes from the Use of Aromatic Schiff Bases as Bridging Ligands

The employment of the bridging/chelating Schiff bases, N-salicylidene-4-methyl-o-aminophenol (samphH2) and N-naphthalidene-2-amino-5-chlorobenzoic acid (nacbH2), in nickel cluster chemistry has afforded eight polynuclear Ni(II) complexes with new structural motifs, interesting magnetic and optical properties, and unexpected organic ligand transformations. In the present thesis, Chapter 1 deals with all the fundamental aspects of polynuclear metal complexes, molecular magnetism and optics, while research results are reported in Chapters 2 and 3. In the first project (Chapter 2), I investigated the coordination chemistry of the organic chelating/bridging ligand, N-salicylidene-4-methyl-o-aminophenol (samphH2). The general NiII/tBuCO2-/samphH2 reaction system afforded two new tetranuclear NiII clusters, namely [Ni4(samph)4(EtOH)4] (1) and [Ni4(samph)4(DMF)2] (2), with different structural motifs. Complex 1 possessed a cubane core while in complex 2 the four NiII ions were located at the four vertices of a defective dicubane. The nature of the organic solvent was found to be of pivotal importance, leading to compounds with the same nuclearity, but different structural topologies and magnetic properties. The second project, the results of which are summarized in Chapter 3, included the systematic study of a new optically-active Schiff base ligand, N-naphthalidene-2-amino-5-chlorobenzoic acid (nacbH2), in NiII cluster chemistry. Various reactions between NiX2 (X- = inorganic anions) and nacbH2 were performed under basic conditions to yield six new polynuclear NiII complexes, namely (NHEt3)[Ni12(nacb)12(H2O)4](ClO4) (3), (NHEt3)2[Ni5(nacb)4(L)(LH)2(MeOH)] (4), [Ni5(OH)2(nacb)4(DMF)4] (5), [Ni5(OMe)Cl(nacb)4(MeOH)3(MeCN)] (6), (NHEt3)2[Ni6(OH)2(nacb)6(H2O)4] (7), and [Ni6(nacb)6(H2O)3(MeOH)6] (8). The nature of the solvent, the inorganic anion, X-, and the organic base were all found to be of critical importance, leading to products with different structural topologies and nuclearities (i.e., {Ni5}, {Ni6} and {Ni12}). Magnetic studies on all synthesized complexes revealed an overall ferromagnetic behavior for complexes 4 and 8, with the remaining complexes being dominated by antiferromagnetic exchange interactions. In order to assess the optical efficiency of the organic ligand when bound to the metal centers, photoluminescence studies were performed on all synthesized compounds. Complexes 4 and 5 show strong emission in the visible region of the electromagnetic spectrum. Finally, the ligand nacbH2 allowed for some unexpected organic transformations to occur; for instance, the pentanuclear compound 5 comprises both nacb2- groups and a new organic chelate, namely the anion of 5-chloro-2-[(3-hydroxy-4-oxo-1,4-dihydronaphthalen-1-yl)amino]benzoic acid. In the last section of this thesis, an attempt to compare the NiII cluster chemistry of the N-naphthalidene-2-amino-5-chlorobenzoic acid ligand with that of the structurally similar but less bulky, N-salicylidene-2-amino-5-chlorobenzoic acid (sacbH2), was made.

Étude des propriétés de transport dans les hydrogels de curdlan

Les hydrogels de polysaccharide sont des biomatériaux utilisés comme matrices à libération contrôlée de médicaments et comme structures modèles pour l’étude de nombreux systèmes biologiques dont les biofilms bactériens et les mucus. Dans tous les cas, le transport de médicaments ou de nutriments à l’intérieur d’une matrice d’hydrogel joue un rôle de premier plan. Ainsi, l’étude des propriétés de transport dans les hydrogels s’avère un enjeu très important au niveau de plusieurs applications. Dans cet ouvrage, le curdlan, un polysaccharide neutre d’origine bactérienne et formé d’unités répétitives β-D-(1→3) glucose, est utilisé comme hydrogel modèle. Le curdlan a la propriété de former des thermogels de différentes conformations selon la température à laquelle une suspension aqueuse est incubée. La caractérisation in situ de la formation des hydrogels de curdlan thermoréversibles et thermo-irréversibles a tout d’abord été réalisée par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FT-IR) en mode réflexion totale atténuée à température variable. Les résultats ont permis d’optimiser les conditions de gélation, menant ainsi à la formation reproductible des hydrogels. Les caractérisations structurales des hydrogels hydratés, réalisées par imagerie FT-IR, par microscopie électronique à balayage en mode environnemental (eSEM) et par microscopie à force atomique (AFM), ont permis de visualiser les différentes morphologies susceptibles d’influencer la diffusion d’analytes dans les gels. Nos résultats montrent que les deux types d’hydrogels de curdlan ont des architectures distinctes à l’échelle microscopique. La combinaison de la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN) à gradients pulsés et de l’imagerie RMN a permis d’étudier l’autodiffusion et la diffusion mutuelle sur un même système dans des conditions expérimentales similaires. Nous avons observé que la diffusion des molécules dans les gels est ralentie par rapport à celle mesurée en solution aqueuse. Les mesures d’autodiffusion, effectuées sur une série d’analytes de diverses tailles dans les deux types d’hydrogels de curdlan, montrent que le coefficient d’autodiffusion relatif décroit en fonction de la taille de l’analyte. De plus, nos résultats suggèrent que l’équivalence entre les coefficients d’autodiffusion et de diffusion mutuelle dans les hydrogels de curdlan thermo-irréversibles est principalement due au fait que l’environnement sondé par les analytes durant une expérience d’autodiffusion est représentatif de celui exploré durant une expérience de diffusion mutuelle. Dans de telles conditions, nos résultats montrent que la RMN à gradients pulsés peut s’avérer une approche très avantageuse afin de caractériser des systèmes à libération contrôlée de médicaments. D’autres expériences de diffusion mutuelle, menées sur une macromolécule de dextran, montrent un coefficient de diffusion mutuelle inférieur au coefficient d’autodiffusion sur un même gel de curdlan. L’écart mesuré entre les deux modes de transport est attribué au volume différent de l’environnement sondé durant les deux mesures. Les coefficients d’autodiffusion et de diffusion mutuelle similaires, mesurés dans les deux types de gels de curdlan pour les différents analytes étudiés, suggèrent une influence limitée de l’architecture microscopique de ces gels sur leurs propriétés de transport. Il est conclu que les interactions affectant la diffusion des analytes étudiés dans les hydrogels de curdlan se situent à l’échelle moléculaire.

Dynamique cérébrale et réserve cognitive en situation d’attention sélective dans le vieillissement normal et les troubles de la cognition : approche neurofonctionnelle

Réalisée en cotutelle avec l'Unité de Formation à la Recherche Lettres Arts et Sciences Humaines - Université Nice-Sophia Antipolis.

Étude des propriétés plasmoniques des réseaux de nanotrous

Les réseaux de nanotrous sont des structures plasmoniques ayant un énorme potentiel en tant que transducteurs pour la conception de biocapteurs. De telles structures sont prometteuses pour l’élaboration de biocapteurs capable d’effectuer du criblage à haut débit. L’intérêt de travailler avec des réseaux de nanotrous est dû à la simplicité d’excitation des polaritons de plasmons de surface en transmission directe, à la sensibilité et à la facilité de fabrication de ces senseurs. L’architecture de tels réseaux métalliques permet la conception de nanostructures ayant de multiples propriétés plasmoniques. L’intensité, la signature spectrale et la sensibilité du signal plasmonique sont grandement affectées par l’aspect physique du réseau de nanotrous. L’optimisation du signal plasmonique nécessite ainsi un ajustement du diamètre des trous, de la périodicité et de la composition métallique du réseau. L'agencement de l'ensemble de ces paramètres permet d'identifier une structure optimale possédant une périodicité de 1000 nm, un diamètre des nanotrous de 600-650 nm et un film métallique ayant une épaisseur de 125 nm d'or. Ce type de transducteur a une sensibilité en solution de 500-600 nm/RIU pour des bandes plasmoniques situées entre 600-700 nm. L'intérêt de travailler avec cette structure est la possibilité d'exciter les plasmons de polaritons de surface (SPPs) selon deux modes d'excitation : en transmission exaltée (EOT) ou en réflexion totale interne par résonance des plasmons de surface (SPR). Une comparaison entre les propriétés plasmoniques des senseurs selon les modes d'excitation permet de déterminer expérimentalement que le couplage de la lumière avec les ondes de SPP de Bloch (BW-SPPs) en transmission directe résulte en un champ électromagnétique davantage propagatif que localisé. D'un point de vue analytique, la biodétection de l'IgG en SPR est 6 fois plus sensible par rapport au mode EOT pour une même structure. Une étude du signal plasmonique associé au BW-SPP pour un certain mode de diffraction démontre que la distance de pénétration de ces structures en EOT est d'environ 140 nm. La limite de détection de l'IgG humain pour un réseau de nanotrous de 1000 nm de périodicité est d'environ 50 nM en EOT. Ce mémoire démontre la viabilité des réseaux de nanotrous pour effectuer de la biodétection par criblage à haut débit lors de prochaines recherches. L'investigation de l'effet de l'angle d'excitation en transmission exaltée par rapport au signal plasmonique associé au mode (1,0) d'un réseau de nanotrous de 820 nm d'or démontre que la sensibilité en solution n'est pas proportionnelle à la sensibilité en surface du senseur. En fait, une optimisation de l'angle d'incidence pour le mode (1,0) de diffraction des BW-SPP permet d'amplifier la sensibilité en surface du senseur jusqu'à 3-fois pour un angle de 13,3°. Ce mémoire démontre ainsi la nécessité d'optimiser l'angle d'excitation et les propriétés physiques du senseur afin de développer un transducteur de grande sensibilité basé sur l'excitation en transmission de réseaux de nanotrous.

Dynamic magnetic resonance spectroscopy of phosphate energetics during muscle exercise and recovery

Entailing of phosphorus exchanges in most bio-chemicals as a key factor in disease, increases researcher’s interest to develop the technologies capable of detecting this metabolite. Phosphorus magnetic resonance spectroscopy is able to detect key metabolites in a non-invasive manner. Particularly, it offers the ability to measure the dynamic rate of phosphocreatine(PCr) degeneration through the exercise and recovery. This metric as a valid indication of mitochondrial oxidative metabolism in muscle, differentiate between normal and pathological state. To do magnetic resonance imaging and spectroscopy, clinical research tools provide a wide variety of anatomical and functional contrasts, however they are typically restricted to the tissues containing water or hydrogen atoms and they are still blind to the biochemicals of other atoms of interests. Through this project we intended to obtain the phosphorus spectrum in human body – specificadenerativelly in muscle – using 31P spectroscopy. To do so a double loop RF surface coil, tuned to phosphorus frequency, is designed and fabricated using bench work facilities and then validated through in vitro spectroscopy using 3 Tesla Siemens scanner. We acquired in vitro as well as in vivo phosphorus spectrum in a 100 mM potassium phosphate phantom and human calf muscle in rest-exercise-recovery phase in a 3T MR scanner. The spectrum demonstrates the main constituent in high-energy phosphate metabolism. We also observed the dynamic variation of PCr for five young healthy subjects who performed planter flexions using resistance band during exercise and recovery. The took steps in this project pave the way for future application of spectroscopic quantification of phosphate metabolism in patients affected by carotid artery disease as well as in age-matched control subjects.

A qualitative study of curriculum and instructional efforts in relation to high stakes federal and district policies in one low-performing elementary school

Les enjeux liés aux politiques éducatives ont considérablement changé au cours des dernières décennies. Ces changements sont liés, entre autres, à l’accroissement de l’imputabilité et de la reddition de compte qui est devenue une caractéristique importante des réformes curriculaires et pédagogiques. Les politiques à enjeux élevés exercent une pression énorme sur les districts et les écoles états-unienne afin qu’ils augmentent le rendement des élèves en utilisant des systèmes de conséquences (Hall & Ryan, 2011; Loeb & Strunk, 2007). Ces politiques envoient de puissants messages sur l'importance de certaines matières scolaires au détriment d'autres - circonscrivant les exigences en termes de compétences et de connaissances. La langue maternelle d’enseignement et les mathématiques sont devenues des mesures centrales sur lesquelles reposent l’évaluation et le degré de performance des districts et des écoles. Conséquemment, les administrateurs de districts et les directions d’écoles ont souvent recours à des réformes curriculaires et pédagogiques comme moyen d'augmenter le rendement des élèves dans les matières scolaires visées par ces politiques. Les politiques contraignent les acteurs scolaires de concentrer les ressources sur les programmes curriculaires et les évaluations, le développement professionnel, et la prise de décision pilotée par les données (Anagnostopoulos & Ruthledge, 2007; Honig & Hatch, 2004; Spillane, Diamond, et al., 2002; Weitz White & Rosenbaum, 2008). Cette thèse examine la manière dont les politiques à enjeux élevés opèrent quotidiennement dans les interactions et les pratiques au sein des écoles. Nous analysons plus particulièrement les différents messages provenant de la politique transmis aux acteurs scolaires sur les manières d'apporter des changements substantiels dans le curriculum et l'enseignement. Nous élargissons l’analyse en prenant en compte le rôle des administrateurs de district ainsi que des partenaires universitaires qui façonnent également la manière dont certains aspects des messages provenant des politiques sont transmis, négociés et/ou débattus et d’autres sont ignorés (Coburn & Woulfin, 2012). En utilisant l’analyse de discours, nous examinons le rôle du langage comme constituant et médiateur des interactions sociales entre les acteurs scolaires et d’autres parties prenantes. De telles analyses impliquent une investigation approfondie d’un nombre d’étude de cas limité. Les données utilisées dans cette thèse ont été colligées dans une école primaire états-unienne du mid-West. Cette étude de cas fait partie d’une étude longitudinale de quatre ans qui comprenait huit écoles dans les milieux urbains entre 1999 et 2003 (Distributed Leadership Studies, http://www.distributedleadership.org). La base de données analysée inclut des observations de réunions formelles et des entrevues auprès des administrateurs du district, des partenaires universitaires, de la direction d’école et des enseignants. En plus de l’introduction et de la problématique (chapitre 1) et de discussion et conclusion (chapitre 5), cette thèse comprend un ensemble de trois articles interdépendants. Dans le premier article (chapitre 2), nous effectuons une recension des écrits portant sur le domaine de l’implantation de politiques (policy implementation) et la complexité des relations locales, nationales et internationales dans les systèmes éducatifs. Pour démystifier cette complexité, nous portons une attention particulière à la construction de sens des acteurs scolaires comme étant une dimension clé du processus de mise en œuvre des réformes. Dans le deuxième article (chapitre 3), nous cherchons à comprendre les processus sociaux qui façonnent les réponses stratégiques des acteurs scolaires à l’égard des politiques du district et de l’état et en lien avec la mise en œuvre d’un curriculum prescrit en mathématiques. Plus particulièrement, nous explorons les différentes situations dans lesquelles les acteurs scolaires argumentent au sujet des changements curriculaires et pédagogiques proposés par les administrateurs de district et des partenaires universitaires afin d’augmenter les résultats scolaires en mathématiques dans une école à faible performance. Dans le troisième article (chapitre 4), nous cherchons à démystifier les complexités liées à l’amélioration de l’enseignement dans un environnement de politiques à enjeux élevés. Pour ce faire, nous utilisons l'interaction entre les notions d'agentivité et la structure afin d'analyser la manière dont les conceptions d’imputabilité et les idées qui découlent de l'environnement politique et les activités quotidiennes jouent dans les interactions entre les acteurs scolaires concernant sur l’enseignement de la langue maternelle. Nous explorons trois objectifs spécifiques : 1) la manière dont les politiques à enjeux élevés façonnent les éléments de l’enseignement qui sont reproduits et ceux qui sont transformés au fil du temps ; 2) la manière dont la compréhension des leaders de l’imputabilité façonne les aspects des messages politiques que les acteurs scolaires remarquent à travers les interactions et les conversations et 3) la manière les acteurs scolaires portent une attention particulière à certaines messages au détriment d’autres. Dans le dernier chapitre de cette thèse, nous discutons les forces et les limites de l’analyse secondaire de données qualitatives, les implications des résultats pour le domaine d’études de l’implantation de politiques et les pistes futures de recherches.

Studies on Some Aspects of the Physics of the Early Universe Using Gravitationally Coupled Scalar Field –

This thesis deals with some aspects of the Physics of the early universe, like phase transitions, bubble nucleations and premodial density perturbations which lead to the formation structures in the universe. Quantum aspects of the gravitational interaction play an essential role in retical high-energy physics. The questions of the quantum gravity are naturally connected with early universe and Grand Unification Theories. In spite of numerous efforts, the various problems of quantum gravity remain still unsolved. In this condition, the consideration of different quantum gravity models is an inevitable stage to study the quantum aspects of gravitational interaction. The important role of gravitationally coupled scalar field in the physics of the early universe is discussed in this thesis. The study shows that the scalar-gravitational coupling and the scalar curvature did play a crucial role in determining the nature of phase transitions that took place in the early universe. The key idea in studying the formation structure in the universe is that of gravitational instability.

An analytical study of the power distribution pattterns of silica waveguides with high paraboloic cylindrical deformation

An attempt is made to determine the relative power distribution in a step-index parabolic cylindrical waveguide (PCW) with high deformation across the direction of propagation. The guide is assumed to be made of silica. The scalar field approximation is employed for the analysis under which a vanishing refractive-index (RI) difference in the waveguide materials is considered. Further, no approximation for folds- is used in the analytical treatment. Due to the geometry of such waceguides, PCWs lose the well-defined modal discreteness, and a kind of mode bunching is observed instead, which becomes much more prominent in PCWs with high bends. However, with the increase in cross-sectional size, the mode-bunching tendency is slightly reduced. The general expressions for power in the guiding and nonguiding sections are obtained, and the fractional power patterns in all of the sections are presented for PCWs of various cross-sectional dimensions. It is observed that the confinement of power in the core section is increased for PCWs of larger cross-sectional size. Moreover, a fairly uniform distribution of power is seen over the modes having intermediate values of propagation constants

Structural and catalytic investigation of vanadia supported on ceria promoted with high surface area rice husk silica

Rice husk silica was utilized as the promoter of ceria for preparing supported vanadia catalysts. Effect of vanadium content was investigated with 2–10 wt.% V2O5 loading over the support. Structural characterization of the catalysts was done by various techniques like energy dispersive X-ray (EDX), X-ray diffraction (XRD), BET surface area, thermal analysis (TGA/DTA), FT-infrared spectroscopy (FT-IR), UV–vis diffused reflectance spectroscopy (DR UV–vis), electron paramagnetic spectroscopy (EPR) and solid state magnetic resonance spectroscopies (29Si and 51V MASNMR). Catalytic activity was studied towards liquid-phase oxidation of benzene. Surface area of ceria enhanced upon rice husk silica promotion, thus makes dispersion of the active sites of vanadia easier. Highly dispersed vanadia was found for low V2O5 loading and formation of cerium orthovanadate (CeVO4) occurs as the loading increases. Spectroscopic investigation clearly confirms the formation of CeVO4 phase at higher loadings of V2O5. The oxidation activity increases with vanadia loading up to 8 wt.% V2O5, and further increase reduces the conversion rate. Selective formation of phenol can be attributed to the presence of highly dispersed active sites of vanadia over the support.

Premartensitic and martensitic phase transitions in ferromagnetic Ni2MnGa

We present an experimental study of the premartensitic and martensitic phase transitions in a Ni2MnGa single crystal by using ultrasonic techniques. The effect of applied magnetic field and uniaxial compressive stress has been investigated. It has been found that they substantially modify the elastic and magnetic behavior of the alloy. These experimental findings are a consequence of magnetoelastic effects. The measured magnetic and vibrational behavior agrees with the predictions of a recently proposed Landau-type model [A. Planes et al., Phys. Rev. Lett. 79, 3926 (1997)] that incorporates a magnetoelastic coupling as a key ingredient.

Magnetic field induced entropy change and magnetoelasticity in Ni-Mn-Ga alloys

The magnetocaloric effect that originates from the martensitic transition in the ferromagnetic Ni-Mn-Ga shape-memory alloy is studied. We show that this effect is controlled by the magnetostructural coupling at both the martensitic variant and magnetic domain length scales. A large entropy change induced by moderate magnetic fields is obtained for alloys in which the magnetic moment of the two structural phases is not very different. We also show that this entropy change is not associated with the entropy difference between the martensitic and the parent phase arising from the change in the crystallographic structure which has been found to be independent of the magnetic field within this range of fields.

Diluted three-dimensional random field Ising model at zero temperature with metastable dynamics.

The influence of vacancy concentration on the behavior of the three-dimensional random field Ising model with metastable dynamics is studied. We have focused our analysis on the number of spanning avalanches which allows us a clear determination of the critical line where the hysteresis loops change from continuous to discontinuous. By a detailed finite-size scaling analysis we determine the phase diagram and numerically estimate the critical exponents along the whole critical line. Finally, we discuss the origin of the curvature of the critical line at high vacancy concentration.

Influence of the driving mechanism on the response of systems with athermal dynamics: The example of the random-field Ising model

We investigate the influence of the driving mechanism on the hysteretic response of systems with athermal dynamics. In the framework of local mean-field theory at finite temperature (but neglecting thermally activated processes), we compare the rate-independent hysteresis loops obtained in the random field Ising model when controlling either the external magnetic field H or the extensive magnetization M. Two distinct behaviors are observed, depending on disorder strength. At large disorder, the H-driven and M-driven protocols yield identical hysteresis loops in the thermodynamic limit. At low disorder, when the H-driven magnetization curve is discontinuous (due to the presence of a macroscopic avalanche), the M-driven loop is reentrant while the induced field exhibits strong intermittent fluctuations and is only weakly self-averaging. The relevance of these results to the experimental observations in ferromagnetic materials, shape memory alloys, and other disordered systems is discussed.