Mesoscopic one-way channels for quantum state transfer via the quantum hall effect

We show that the one-way channel formalism of quantum optics has a physical realization in electronic systems. In particular, we show that magnetic edge states form unidirectional quantum channels capable of coherently transporting electronic quantum information. Using the equivalence between one-way photonic channels and magnetic edge states, we adapt a proposal for quantum state transfer to mesoscopic systems using edge states as a quantum channel, and show that it is feasible with reasonable experimental parameters. We discuss how this protocol may be used to transfer information encoded in number, charge, or spin states of quantum dots, so it may prove useful for transferring quantum information between parts of a solid-state quantum computer

Multi-types of Skyrmions in SU(N) Quantum Hall System

The skyrmions in SU(N) quantum Hall (QH) system are discussed. By analyzing the gauge field structure and the topological properties of this QH system it is pointed out that in the SU(N) QH system there can exist (N-1) types of skyrmion structures, instead of only one type of skyrmions. In this paper, by means of the Abelian projections according to the (N-1) Cartan subalgebra local bases, we obtain the (N-1) U(1) electromagnetic field tensors in the SU(N) gauge field of the QH system, and then derive (N-1) types of skyrmion structures from these U(1) sub-field tensors. Furthermore, in light of the phi-mapping topological current method, the topological charges and the motion of these skyrmions are also discussed.

Weak coupling of acoustic-like phonons and magnon dynamics in incommensurate spin ladder compound Sr14Cu24O41

Intriguing lattice dynamics has been predicted for aperiodic crystals that contain incommensurate substructures. Here we report inelastic neutron scattering measurements of phonon and magnon dispersions in Sr14Cu24O41, which contains incommensurate one-dimensional (1D) chain and two-dimensional (2D) ladder substructures. Two distinct acoustic phonon-like modes, corresponding to the sliding motion of one sublattice against the other, are observed for atomic motions polarized along the incommensurate axis. In the long wavelength limit, it is found that the sliding mode shows a remarkably small energy gap of 1.7-1.9 meV, indicating very weak interactions between the two incommensurate sublattices. The measurements also reveal a gapped and steep linear magnon dispersion of the ladder sublattice. The high group velocity of this magnon branch and weak coupling with acoustic phonons can explain the large magnon thermal conductivity in Sr14Cu24O41 crystals. In addition, the magnon specific heat is determined from the measured total specific heat and phonon density of states, and exhibits a Schottky anomaly due to gapped magnon modes of the spin chains. These findings offer new insights into the phonon and magnon dynamics and thermal transport properties of incommensurate magnetic crystals that contain low-dimensional substructures.

Caractérisation des propriétés mécaniques de la pâte de carbone à 150°C dans le but d’optimiser la mise en forme des anodes utilisées dans les cuves Hall-Héroult

Les anodes de carbone sont des éléments consommables servant d’électrode dans la réaction électrochimique d’une cuve Hall-Héroult. Ces dernières sont produites massivement via une chaine de production dont la mise en forme est une des étapes critiques puisqu’elle définit une partie de leur qualité. Le procédé de mise en forme actuel n’est pas pleinement optimisé. Des gradients de densité importants à l’intérieur des anodes diminuent leur performance dans les cuves d’électrolyse. Encore aujourd’hui, les anodes de carbone sont produites avec comme seuls critères de qualité leur densité globale et leurs propriétés mécaniques finales. La manufacture d’anodes est optimisée de façon empirique directement sur la chaine de production. Cependant, la qualité d’une anode se résume en une conductivité électrique uniforme afin de minimiser les concentrations de courant qui ont plusieurs effets néfastes sur leur performance et sur les coûts de production d’aluminium. Cette thèse est basée sur l’hypothèse que la conductivité électrique de l’anode n’est influencée que par sa densité considérant une composition chimique uniforme. L’objectif est de caractériser les paramètres d’un modèle afin de nourrir une loi constitutive qui permettra de modéliser la mise en forme des blocs anodiques. L’utilisation de la modélisation numérique permet d’analyser le comportement de la pâte lors de sa mise en forme. Ainsi, il devient possible de prédire les gradients de densité à l’intérieur des anodes et d’optimiser les paramètres de mise en forme pour en améliorer leur qualité. Le modèle sélectionné est basé sur les propriétés mécaniques et tribologiques réelles de la pâte. La thèse débute avec une étude comportementale qui a pour objectif d’améliorer la compréhension des comportements constitutifs de la pâte observés lors d’essais de pressage préliminaires. Cette étude est basée sur des essais de pressage de pâte de carbone chaude produite dans un moule rigide et sur des essais de pressage d’agrégats secs à l’intérieur du même moule instrumenté d’un piézoélectrique permettant d’enregistrer les émissions acoustiques. Cette analyse a précédé la caractérisation des propriétés de la pâte afin de mieux interpréter son comportement mécanique étant donné la nature complexe de ce matériau carboné dont les propriétés mécaniques sont évolutives en fonction de la masse volumique. Un premier montage expérimental a été spécifiquement développé afin de caractériser le module de Young et le coefficient de Poisson de la pâte. Ce même montage a également servi dans la caractérisation de la viscosité (comportement temporel) de la pâte. Il n’existe aucun essai adapté pour caractériser ces propriétés pour ce type de matériau chauffé à 150°C. Un moule à paroi déformable instrumenté de jauges de déformation a été utilisé pour réaliser les essais. Un second montage a été développé pour caractériser les coefficients de friction statique et cinétique de la pâte aussi chauffée à 150°C. Le modèle a été exploité afin de caractériser les propriétés mécaniques de la pâte par identification inverse et pour simuler la mise en forme d’anodes de laboratoire. Les propriétés mécaniques de la pâte obtenues par la caractérisation expérimentale ont été comparées à celles obtenues par la méthode d’identification inverse. Les cartographies tirées des simulations ont également été comparées aux cartographies des anodes pressées en laboratoire. La tomodensitométrie a été utilisée pour produire ces dernières cartographies de densité. Les résultats des simulations confirment qu’il y a un potentiel majeur à l’utilisation de la modélisation numérique comme outil d’optimisation du procédé de mise en forme de la pâte de carbone. La modélisation numérique permet d’évaluer l’influence de chacun des paramètres de mise en forme sans interrompre la production et/ou d’implanter des changements coûteux dans la ligne de production. Cet outil permet donc d’explorer des avenues telles la modulation des paramètres fréquentiels, la modification de la distribution initiale de la pâte dans le moule, la possibilité de mouler l’anode inversée (upside down), etc. afin d’optimiser le processus de mise en forme et d’augmenter la qualité des anodes.

Signature optique des ferroaimants de Hall quantiques dans la bicouche de graphène

Un moyen permettant d'identifier expérimentalement les phases du gaz d'électrons bidimensionnel de la bicouche de graphène en empilement bernal au remplissage $\nu = 3$ est recherché lorsque le biais électrique entre les couches est varié. À ce remplissage, si on se concentre aux basses énergies, il est possible de ne s'intéresser qu'aux deux niveaux de Landau composant le niveau $N=0$ qui sont de même spin et de même vallée, mais d'orbitale différente. Puisque la texture du pseudospin orbital de ce système change selon la phase, il est attendu que le couplage avec le champ électrique de la lumière devrait changer. La dispersion des modes collectifs de chaque phase est calculée dans l'approximation GRPA (generalized random-phase approximation) dans le domaine en biais où chacune domine respectivement. L'absorption optique pour des polarisations linéaires en direction x et en direction y ainsi que pour des polarisations circulaires gauche et droite est calculée. La rotation de Faraday et l'effet Kerr sont également calculés. Des différences entre les phases sont remarquées au niveaux de la fréquence des photons qui sont absorbés, de l'amplitude de l'absorption et de la rotation de la polarisation ainsi que la sensibilité à certains types de polarisation. L'effet des modes collectifs dans les phases considérées est cependant moindre que celui qui est prédit dans un calcul qui ne tient pas compte de l'interaction de Coulomb.

Thermodynamics and Heat Transport of doped Spin-Ice Materials

In this thesis the low-temperature magnetism of the spin-ice systems Dy2Ti2O7 and Ho2Ti2O7 is investigated. In general, a clear experimental evidence for a sizable magnetic contribution kappa_{mag} to the low-temperature, zero-field heat transport of both spin-ice materials is observed. This kappa_{mag} can be attributed to the magnetic monopole excitations, which are highly mobile in zero field and are suppressed by a rather small external field resulting in a drop of kappa(H). Towards higher magnetic fields, significant field dependencies of the phononic heat conductivities kappa_{ph}(H) of Ho2Ti2O7 and Dy2Ti2O7 are found, which are, however, of opposite signs, as it is also found for the highly dilute reference materials (Ho0.5Y0.5)2Ti2O7 and (Dy0.5Y0.5)2Ti2O7. The dominant effect in the Ho-based materials is the scattering of phonons by spin flips which appears to be significantly stronger than in the Dy-based materials. Here, the thermal conductivity is suppressed due to enhanced lattice distortions observed in the magnetostriction. Furthermore, the thermal conductivity of Dy2Ti2O7 has been investigated concerning strong hysteresis effects and slow-relaxation processes towards equilibrium states in the low-temperature and low-field regime. The thermal conductivity in the hysteretic regions slowly relaxes towards larger values suggesting that there is an additional suppression of the heat transport by disorder in the non-equilibrium states. The equilibration can even be governed by the heat current for particular configurations. A special focus was put on the dilution series Dy2Ti2O7x. From specific heat measurements, it was found that the ultra-slow thermal equilibration in pure spin ice Dy2Ti2O7 is rapidly suppressed upon dilution with non-magnetic yttrium and vanishes completely for x>=0.2 down to the lowest accessible temperatures. In general, the low-temperature entropy of (Dy1-xYx)2Ti2O7, considerably decreases with increasing x, whereas its temperature-dependence drastically increases. Thus, it could be clarified that there is no experimental evidence for a finite zero-temperature entropy in (Dy1-xYx)2Ti2O7 above x>=0.2, in clear contrast to the finite residual entropy S_{P}(x) expected from a generalized Pauling approximation. A similar discrepancy is also present between S_{P}(x) and the low-temperature entropy obtained by Monte Carlo simulations, which reproduce the experimental data from 25 K down to 0.7 K, whereas the data at 0.4 K are overestimated. A straightforward description of the field-dependence kappa(H) of the dilution series with qualitative models justifies the extraction of kappa_{mag}. It was observed that kappa_{mag} systematically scales with the degree of dilution and its low-field decrease is related to the monopole excitation energy. The diffusion coefficient D_{mag} for the monopole excitations was calculated by means of c_{mag} and kappa_{mag}. It exhibits a broad maximum around 1.6 K and is suppressed for T<=0.5 K, indicating a non-degenerate ground state in the long-time limit, and in the high-temperature range for T>=4 K where spin-ice physics is eliminated. A mean-free path of 0.3 mum is obtained for Dy2Ti2O7 at about 1 K within the kinetic gas theory.

Measurement of target single-spin asymmetry in charged kaon electroproduction on a transversely polarized 3He target

The subject of quark transverse spin and transverse momentum distribution are two current research frontier in understanding the spin structure of the nucleons. The goal of the research reported in this dissertation is to extract new information on the quark transversity distribution and the novel transverse-momentum-dependent Sivers function in the neutron. A semi-inclusive deep inelastic scattering experiment was performed at the Hall A of the Jefferson laboratory using 5.9 GeV electron beam and a transversely polarized ^{3}He target. The scattered electrons and the produced hadrons (pions, kaons, and protons) were detected in coincidence with two large magnetic spectrometers. By regularly flipping the spin direction of the transversely polarized target, the single-spin-asymmetry (SSA) of the semi-inclusive deep inelastic reaction ^{3}He^{uparrow}(e,e'h^{\pm})X was measured over the kinematic range 0.13 < x < 0.41 and 1.3 < Q^{2} < 3.1 (GeV)^{2}. The SSA contains several different azimuthal angular modulations which are convolutions of quarks distribution functions in the nucleons and the quark fragmentation functions into hadrons. It is from the extraction of the various ``moments'' of these azimuthal angular distributions (Collins moment and Sivers moment) that we obtain information on the quark transversity distribution and the novel T-odd Sivers function. In this dissertation, I first introduced the theoretical background and experimental status of nucleon spins and the physics of SSA. I will then present the experimental setup and data collection of the JLab E06-010 experiment. Details of data analysis will be discussed next with emphasis on the kaon particle identification and the Ring-Imaging Cherenkov detector which are my major responsibilities in this experiment. Finally, results on the kaon Collins and Sivers moments extracted from the Maximum Likelihood method will be presented and interpreted. I will conclude with a discussion on the future prospects for this research.

Spin injection in two-dimensional layered materials and local magnetoresistance side-effects

180 p.

Anisotropy of spin relaxation of water protons in cartilage and tendon

Transverse spin relaxation rates of water protons in articular cartilage and tendon depend on the orientation of the tissue relative to the applied static magnetic field. This complicates the interpretation of magnetic resonance images of these tissues. At the same time, relaxation data can provide information about their organisation and microstructure. We present a theoretical analysis of the anisotropy of spin relaxation of water protons observed in fully hydrated cartilage. We demonstrate that the anisotropy of transverse relaxation is due almost entirely to intramolecular dipolar coupling modulated by a specific mode of slow molecular motion: the diffusion of water molecules in the hydration shell of a collagen fibre around the fibre, such that the molecular director remains perpendicular to the fibre. The theoretical anisotropy arising from this mechanism follows the “magic-angle” dependence observed in magnetic-resonance measurements of cartilage and tendon and is in good agreement with the available experimental results. We discuss the implications of the theoretical findings for MRI of ordered collagenous tissues.

Metal oxide nanofibres membranes assembled by spin-coating method

Ceramic membranes are of particular interest in many industrial processes due to their ability to function under extreme conditions while maintaining their chemical and thermal stability. Major structural deficiencies under conventional fabrication approach are pin-holes and cracks, and the dramatic losses of flux when pore sizes are reduced to enhance selectivity. We overcome these structural deficiencies by constructing hierarchically structured separation layer on a porous substrate using larger titanate nanofibres and smaller boehmite nanofibres. This yields a radical change in membrane texture. The differences in the porous supports have no substantial influences on the texture of resulting membranes. The membranes with top layer of nanofibres coated on different porous supports by spin-coating method have similar size of the filtration pores, which is in a range of 10–100 nm. These membranes are able to effectively filter out species larger than 60 nm at flow rates orders of magnitude greater than conventional membranes. The retention can attain more than 95%, while maintaining a high flux rate about 900 L m-2 h. The calcination after spin-coating creates solid linkages between the fibres and between fibres and substrate, in addition to convert boehmite into -alumina nanofibres. This reveals a new direction in membrane fabrication.