Classical magnetoresistance of a ballistic electron gas constrained to non-planar topographies in a lattice of antidots under tilted magnetic field

The classical magnetoresistance of a two-dimensional electron gas constrained to non-planar topographies, in antidot lattices, and under the influence of tilted magnetic field in arbitrary direction is numerically studied. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

Thermal fluctuations and boundary conditions in the lattice Boltzmann method

The lattice Boltzmann method is a popular approach for simulating hydrodynamic interactions in soft matter and complex fluids. The solvent is represented on a discrete lattice whose nodes are populated by particle distributions that propagate on the discrete links between the nodes and undergo local collisions. On large length and time scales, the microdynamics leads to a hydrodynamic flow field that satisfies the Navier-Stokes equation. In this thesis, several extensions to the lattice Boltzmann method are developed. In complex fluids, for example suspensions, Brownian motion of the solutes is of paramount importance. However, it can not be simulated with the original lattice Boltzmann method because the dynamics is completely deterministic. It is possible, though, to introduce thermal fluctuations in order to reproduce the equations of fluctuating hydrodynamics. In this work, a generalized lattice gas model is used to systematically derive the fluctuating lattice Boltzmann equation from statistical mechanics principles. The stochastic part of the dynamics is interpreted as a Monte Carlo process, which is then required to satisfy the condition of detailed balance. This leads to an expression for the thermal fluctuations which implies that it is essential to thermalize all degrees of freedom of the system, including the kinetic modes. The new formalism guarantees that the fluctuating lattice Boltzmann equation is simultaneously consistent with both fluctuating hydrodynamics and statistical mechanics. This establishes a foundation for future extensions, such as the treatment of multi-phase and thermal flows. An important range of applications for the lattice Boltzmann method is formed by microfluidics. Fostered by the "lab-on-a-chip" paradigm, there is an increasing need for computer simulations which are able to complement the achievements of theory and experiment. Microfluidic systems are characterized by a large surface-to-volume ratio and, therefore, boundary conditions are of special relevance. On the microscale, the standard no-slip boundary condition used in hydrodynamics has to be replaced by a slip boundary condition. In this work, a boundary condition for lattice Boltzmann is constructed that allows the slip length to be tuned by a single model parameter. Furthermore, a conceptually new approach for constructing boundary conditions is explored, where the reduced symmetry at the boundary is explicitly incorporated into the lattice model. The lattice Boltzmann method is systematically extended to the reduced symmetry model. In the case of a Poiseuille flow in a plane channel, it is shown that a special choice of the collision operator is required to reproduce the correct flow profile. This systematic approach sheds light on the consequences of the reduced symmetry at the boundary and leads to a deeper understanding of boundary conditions in the lattice Boltzmann method. This can help to develop improved boundary conditions that lead to more accurate simulation results.

Imaging and modeling of pore scale processes in porous media using X-ray computed tomography and lattice Boltzmann solver

In der Erdöl– und Gasindustrie sind bildgebende Verfahren und Simulationen auf der Porenskala im Begriff Routineanwendungen zu werden. Ihr weiteres Potential lässt sich im Umweltbereich anwenden, wie z.B. für den Transport und Verbleib von Schadstoffen im Untergrund, die Speicherung von Kohlendioxid und dem natürlichen Abbau von Schadstoffen in Böden. Mit der Röntgen-Computertomografie (XCT) steht ein zerstörungsfreies 3D bildgebendes Verfahren zur Verfügung, das auch häufig für die Untersuchung der internen Struktur geologischer Proben herangezogen wird. Das erste Ziel dieser Dissertation war die Implementierung einer Bildverarbeitungstechnik, die die Strahlenaufhärtung der Röntgen-Computertomografie beseitigt und den Segmentierungsprozess dessen Daten vereinfacht. Das zweite Ziel dieser Arbeit untersuchte die kombinierten Effekte von Porenraumcharakteristika, Porentortuosität, sowie die Strömungssimulation und Transportmodellierung in Porenräumen mit der Gitter-Boltzmann-Methode. In einer zylindrischen geologischen Probe war die Position jeder Phase auf Grundlage der Beobachtung durch das Vorhandensein der Strahlenaufhärtung in den rekonstruierten Bildern, das eine radiale Funktion vom Probenrand zum Zentrum darstellt, extrahierbar und die unterschiedlichen Phasen ließen sich automatisch segmentieren. Weiterhin wurden Strahlungsaufhärtungeffekte von beliebig geformten Objekten durch einen Oberflächenanpassungsalgorithmus korrigiert. Die Methode der „least square support vector machine” (LSSVM) ist durch einen modularen Aufbau charakterisiert und ist sehr gut für die Erkennung und Klassifizierung von Mustern geeignet. Aus diesem Grund wurde die Methode der LSSVM als pixelbasierte Klassifikationsmethode implementiert. Dieser Algorithmus ist in der Lage komplexe geologische Proben korrekt zu klassifizieren, benötigt für den Fall aber längere Rechenzeiten, so dass mehrdimensionale Trainingsdatensätze verwendet werden müssen. Die Dynamik von den unmischbaren Phasen Luft und Wasser wird durch eine Kombination von Porenmorphologie und Gitter Boltzmann Methode für Drainage und Imbibition Prozessen in 3D Datensätzen von Böden, die durch synchrotron-basierte XCT gewonnen wurden, untersucht. Obwohl die Porenmorphologie eine einfache Methode ist Kugeln in den verfügbaren Porenraum einzupassen, kann sie dennoch die komplexe kapillare Hysterese als eine Funktion der Wassersättigung erklären. Eine Hysterese ist für den Kapillardruck und die hydraulische Leitfähigkeit beobachtet worden, welche durch die hauptsächlich verbundenen Porennetzwerke und der verfügbaren Porenraumgrößenverteilung verursacht sind. Die hydraulische Konduktivität ist eine Funktion des Wassersättigungslevels und wird mit einer makroskopischen Berechnung empirischer Modelle verglichen. Die Daten stimmen vor allem für hohe Wassersättigungen gut überein. Um die Gegenwart von Krankheitserregern im Grundwasser und Abwässern vorhersagen zu können, wurde in einem Bodenaggregat der Einfluss von Korngröße, Porengeometrie und Fluidflussgeschwindigkeit z.B. mit dem Mikroorganismus Escherichia coli studiert. Die asymmetrischen und langschweifigen Durchbruchskurven, besonders bei höheren Wassersättigungen, wurden durch dispersiven Transport aufgrund des verbundenen Porennetzwerks und durch die Heterogenität des Strömungsfeldes verursacht. Es wurde beobachtet, dass die biokolloidale Verweilzeit eine Funktion des Druckgradienten als auch der Kolloidgröße ist. Unsere Modellierungsergebnisse stimmen sehr gut mit den bereits veröffentlichten Daten überein.

Up, down, strange and charm quark masses with Nf = 2+1+1 twisted mass lattice QCD

We present a lattice QCD calculation of the up, down, strange and charm quark masses performed using the gauge configurations produced by the European Twisted Mass Collaboration with Nf=2+1+1 dynamical quarks, which include in the sea, besides two light mass degenerate quarks, also the strange and charm quarks with masses close to their physical values. The simulations are based on a unitary setup for the two light quarks and on a mixed action approach for the strange and charm quarks. The analysis uses data at three values of the lattice spacing and pion masses in the range 210–450 MeV, allowing for accurate continuum limit and controlled chiral extrapolation. The quark mass renormalization is carried out non-perturbatively using the RI′-MOM method. The results for the quark masses converted to the scheme are: mud(2 GeV)=3.70(17) MeV, ms(2 GeV)=99.6(4.3) MeV and mc(mc)=1.348(46) GeV. We obtain also the quark mass ratios ms/mud=26.66(32) and mc/ms=11.62(16). By studying the mass splitting between the neutral and charged kaons and using available lattice results for the electromagnetic contributions, we evaluate mu/md=0.470(56), leading to mu=2.36(24) MeV and md=5.03(26) MeV.

Review of lattice results concerning low-energy particle physics

We review lattice results related to pion, kaon, D- and B-meson physics with the aim of making them easily accessible to the particle-physics community. More specifically, we report on the determination of the lightquark masses, the form factor f+(0), arising in semileptonic K → π transition at zero momentum transfer, as well as the decay-constant ratio fK / fπ of decay constants and its consequences for the CKM matrix elements Vus and Vud. Furthermore, we describe the results obtained on the lattice for some of the low-energy constants of SU(2)L × SU(2)R and SU(3)L×SU(3)R Chiral Perturbation Theory and review the determination of the BK parameter of neutral kaon mixing. The inclusion of heavy-quark quantities significantly expands the FLAG scope with respect to the previous review. Therefore, we focus here on D- and B-meson decay constants, form factors, and mixing parameters, since these are most relevant for the determination of CKM matrix elements and the global CKM unitarity-triangle fit. In addition we review the status of lattice determinations of the strong coupling constant αs.

Interfaces, strings, and a soft mode in the square lattice quantum dimer model

The quantum dimer model on the square lattice is a U(1) gauge theory that addresses aspects of the physics of high-Tc superconductors. Using a quantum Monte Carlo method, we show that the theory exists in a confining columnar valence bond solid phase. The interfaces separating distinct columnar phases display plaquette order, which, however, is not realized as a bulk phase. Static “electric” charges are confined by flux tubes that consist of multiple strands, each carrying a fractionalized flux ¼. A soft pseudo-Goldstone mode (which becomes exactly massless at the Rokhsar-Kivelson point) extends deep into the columnar phase, with potential implications for high-Tc physics.