Localization of a Bose-Einstein-condensate vortex in a bichromatic optical lattice

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Localization of a Bose-Einstein condensate in a bichromatic optical lattice

By direct numerical simulation of the time-dependent Gross-Pitaevskii equation, we study different aspects of the localization of a noninteracting ideal Bose-Einstein condensate (BEC) in a one-dimensional bichromatic quasiperiodic optical-lattice potential. Such a quasiperiodic potential, used in a recent experiment on the localization of a BEC, can be formed by the superposition of two standing-wave polarized laser beams with different wavelengths. We investigate the effect of the variation of optical amplitudes and wavelengths on the localization of a noninteracting BEC. We also simulate the nonlinear dynamics when a harmonically trapped BEC is suddenly released into a quasiperiodic potential, as done experimentally in a laser speckle potential. We finally study the destruction of the localization in an interacting BEC due to the repulsion generated by a positive scattering length between the bosonic atoms. © 2009 The American Physical Society.

Empilhamento sísmico pela composição de ondas planas

No presente trabalho de tese é apresentada uma nova técnica de empilhamento de dados sísmicos para a obtenção da seção de incidência normal ou afastamento fonte-receptor nulo, aplicável em meios bidimensionais com variações laterais de velocidade. Esta nova técnica denominada Empilhamento Sísmico pela Composição de Ondas Planas (empilhamento PWC) foi desenvolvida tomando como base os conceitos físicos e matemáticos da decomposição do campo de ondas em ondas planas. Este trabalho pode ser dividido em três partes: Uma primeira parte, onde se apresenta uma revisão da técnica de empilhamento sísmico convencional e do processo de decomposição do campo de ondas produzido a partir de fontes pontuais em suas correspondentes ondas planas. Na segunda parte, é apresentada a formulação matemática e o procedimento de aplicação do método de empilhamento sísmico pela composição de ondas planas. Na terceira parte se apresenta a aplicação desta nova técnica de empilhamento na serie de dados Marmousi e uma analise sobre a atenuação de ruído. A formulação matemática desta nova técnica de empilhamento sísmico foi desenvolvida com base na teoria do espalhamento aplicado a ondas sísmicas sob a restrição do modelo de aproximação de Born. Nesse sentido, inicialmente se apresenta a determinação da solução da equação de onda caustica para a configuração com afastamento fonte-receptor finito, que posteriormente é reduzido para a configuração de afastamento fonte-receptor nulo. Por outra parte, com base nessas soluções, a expressão matemática deste novo processo de empilhamento sísmico é resolvida dentro do contexto do modelo de aproximação de Born. Verificou-se que as soluções encontradas por ambos procedimentos, isto é, por meio da solução da equação da onda e pelo processo de empilhamento proposto, são iguais, mostrando-se assim que o processo de empilhamento pela composição de ondas planas produz uma seção com afastamento fonte-receptor nulo. Esta nova técnica de empilhamento basicamente consiste na aplicação de uma dupla decomposição do campo de ondas em onda planas por meio da aplicação de dois empilhamentos oblíquos (slant stack), isto é um ao longo do arranjo das fontes e outro ao longo do arranjo dos detectores; seguido pelo processo de composição das ondas planas por meio do empilhamento obliquo inverso. Portanto, com base nestas operações e com a ajuda de um exemplo de aplicação nos dados gerados a partir de um modelo simples, são descritos os fundamentos e o procedimento de aplicação (ou algoritmo) desta nova técnica de obtenção da seção de afastamento nulo. Como exemplo de aplicação do empilhamento PWC em dados correspondentes a um meio com variações laterais de velocidade, foi aplicado nos dados Marmousi gerados segundo a técnica de cobertura múltipla a partir de um modelo que representa uma situação geológica real. Por comparação da seção resultante com a similar produzida pelo método de empilhamento convencional, observa-se que a seção de afastamento nulo desta nova técnica apresenta melhor definição e continuidade dos reflectores, como também uma melhor caracterização da ocorrência de difrações. Por último, da atenuação de ruído aleatório realizada nos mesmos dados, observa-se que esta técnica de empilhamento também produz uma atenuação do ruído presente no sinal, a qual implica um aumento na relação sinal ruído.

Sediments in arctic sea ice - entrainment, characterization and quantification

Sediments in Arctic sea ice are important for erosion and redistribution and consequently a factor for the sediment budget of the Arctic Ocean. The processes leading to the incorporation of sediments into the ice are not understood in detail yet. In the present study, experiments on the incorporation of sediments were therefore conducted in ice tanks of The Hamburg Ship Model Basin (HSVA) in winter 1996/1997, These experiments showed that on average 75 % of the artificial sea-ice sediments were located in the brine-channel system. The sediments were scavenged from the water column by frazil ice. Sediments functioning as a nucleus for the formation of frazil ice were less important for the incorporation. Filtration in grease ice during relatively calm hydrodynamic conditions was probably an effective process to enrich sediments in the ice. Wave fields did not play an important role for the incorporation of sediments into the artificial sea ice. During the expedition TRANSDRIFT III (TDIII, October 1995), different types of natural, newly-formed sea ice (grease ice, nilas and young ice) were sampled in the inner Laptev Sea at the time of freeze-up. The incorporation of sediments took place during calm meteorological conditions then. The characteristics of the clay mineral assemblages of these sedirnents served as references for sea-ice sediments which were sampled from first-year drift ice in the outer Laptev Sea and the adjacent Arctic Ocean during the POLARSTERN expedition ARK-XI/1 (July-September 1995). Based on the clay mineral assemblages, probable incorporation areas for the sedirnents in first-year drift ice could be statistically reconstructed in the inner Laptev Sea (eastern, central, and Western Laptev Sea) as well as in adjacent regions. Comparing the amounts of particulate organic carbon (POC) in sea-ice sediments and in surface sediments from the shelves of potential incorporation areas often reveals higher values in sea-ice sediments (TDIII: 3.6 %DM; ARK-XI/1: 2.3 %DM). This enrichment of POC is probably due to the incorporation process into the sea ice, as could be deducted from maceral analysis and Rock-Eval pyrolysis. Both methods were applied in the present study to particulate organic material (POM) from sea-ice sediments for the first time. It was shown that the POM of the sea-ice sediments from the Laptev Sea and the adjacent Arctic Ocean was dominated by reworked, strongly fragmented, allochthonous (terrigenous) material. This terrigenous component accounted for more than 75 % of all counted macerals. The autochthonous (marine) component was also strongly fragmented, and higher in the sediments from newly-formed sea ice (24 % of all counted macerals) as compared to first-year drift ice (17 % of all counted macerals). Average hydroge indices confirmed this pattern and were in the transition zone between kerogen types II and III (TDIII: 275 mg KW/g POC; ARK-XI/1: 200 mg KW/g POC). The sediment loads quantified in natural sea ice (TDIII: 33.6 mg/l, ARK-XI/1: 49.0 mg/l) indicated that sea-ice sediments are an important factor for the sediment budget in the Laptev Sea. In particular during the incorporation phase in autumn and early winter, about 12 % of the sediment load imported annually by rivers into the Laptev Sea can be incorporated into sea ice and redistributed during calm meteorological conditions. Single entrainment events can incorporate about 35 % of the river input into the sea ice (ca. 9 x 10**6 t) and export it via the Transpolar Drift from the Eurasian shelf to the Fram Strait.

Theoretical analysis and numerical verification of the consistency of viscous smoothed-particle-hydrodynamics formulations in simulating free-surface flows

The theoretical formulation of the smoothed particle hydrodynamics (SPH) method deserves great care because of some inconsistencies occurring when considering free-surface inviscid flows. Actually, in SPH formulations one usually assumes that (i) surface integral terms on the boundary of the interpolation kernel support are neglected, (ii) free-surface conditions are implicitly verified. These assumptions are studied in detail in the present work for free-surface Newtonian viscous flow. The consistency of classical viscous weakly compressible SPH formulations is investigated. In particular, the principle of virtual work is used to study the verification of the free-surface boundary conditions in a weak sense. The latter can be related to the global energy dissipation induced by the viscous term formulations and their consistency. Numerical verification of this theoretical analysis is provided on three free-surface test cases including a standing wave, with the three viscous term formulations investigated.

Benefits of using a Wendland Kernel for free-surface flows

The aim of this paper Is lo discuss the influence of the selection of the interpolation kernel in the accuracy of the modeling of the internal viscous dissipation in Tree surface Hows, Simulations corresponding to a standing wave* for which an analytic solution available, are presented. Wendland and renormalized Gaussian kernels are considered. The differences in the flow pattern* and Internal dissipation mechanisms are documented for a range of Reynolds numbers. It is shown that the simulations with Wendland kernels replicate the dissipation mechanisms more accurately than those with a renormalized Gaussian kernel. Although some explanations are hinted we have Tailed to clarify which the core structural reasons for Mich differences are*

Broadband active differential array for the mid-frequency SKA band

This paper presents the design and characterization process of an active array demonstrator for the mid-frequency range (i.e., 300 MHz-1000 MHz) of the future Square Kilometre Array (SKA) radio telescope. This demonstrator, called FIDA3 (FG-IGN: Fundación General Instituto Geográfico Nacional - Differential Active Antenna Array), is part of the Spanish contribution for the SKA project. The main advantages provided by this design include the use of a dielectric-free structure, and the use of a fully-differential receiver in which differential low-noise amplifiers (LNAs) are directly connected to the balanced tapered-slot antennas (TSAs). First, the radiating structure and the differential low-noise amplifiers were separately designed and measured, obtaining good results (antenna elements with low voltage standing-wave ratios, array scanning capabilities up to 45°, and noise temperatures better than 52 K with low-noise amplifiers at room temperature). The potential problems due to the differential nature of the proposed solution are discussed, so some effective methods to overcome such limitations are proposed. Second, the complete active antenna array receiving system was assembled, and a 1 m2 active antenna array tile was characterized.

Dynamic interactions between solids and viscous liquids with free surface = Interacciones dinámicas entre sólidos y líquidos viscosos con superficie libre

En esta tesis se investiga la interacción entre un fluido viscoso y un cuerpo sólido en presencia de una superficie libre. El problema se expresa teóricamente poniendo especial atención a los aspectos de conservación de energía y de la interacción del fluido con el cuerpo. El problema se considera 2D y monofásico, y un desarrollo matemático permite una descomposición de los términos disipativos en términos relacionados con la superficie libre y términos relacionados con la enstrofía. El modelo numérico utilizado en la tesis se basa en el método sin malla Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH). De manera análoga a lo que se hace a nivel continuo, las propiedades de conservación se estudian en la tesis con el sistema discreto de partículas. Se tratan también las condiciones de contorno de un cuerpo que se mueve en un flujo viscoso, implementadas con el método ghost-fluid. Se ha desarrollado un algoritmo explícito de interacción fluido / cuerpo. Se han documentado algunos casos de modo detallado con el objetivo de comprobar la capacidad del modelo para reproducir correctamente la disipación de energía y el movimiento del cuerpo. En particular se ha investigado la atenuación de una onda estacionaria, comparando la simulación numérica con predicciones teóricas. Se han realizado otras pruebas para monitorizar la disipación de energía para flujos más violentos que implican la fragmentación de la superficie libre. La cantidad de energía disipada con los diferentes términos se ha evaluado en los casos estudiados con el modelo numérico. Se han realizado otras pruebas numéricas para verificar la técnica de modelización de la interacción fluido / cuerpo, concretamente las fuerzas ejercidas por las olas en cuerpos con formas simples, y el equilibrio de un cuerpo flotante con una forma compleja. Una vez que el modelo numérico ha sido validado, se han realizado simulaciones numéricas para obtener una comprensión más completa de la física implicada en casos (casi) realistas sobre los había aspectos que no se conocían suficientemente. En primer lugar se ha estudiado el el flujo alrededor de un cilindro bajo la superficie libre. El estudio se ha realizado con un número de Reynolds moderado, para un rango de inmersiones del cilindro y números de Froude. La solución numérica permite una investigación de los patrones complejos que se producen. La estela del cilindro interactúa con la superficie libre. Se han identificado algunos inestabilidades características. El segundo estudio se ha realizado sobre el problema de sloshing, tanto experimentalmente como numéricamente. El análisis se restringe a aguas poco profundas y con oscilación horizontal, pero se ha estudiado un gran número de condiciones, lo que lleva a una comprensión bastante completa de los sistemas de onda involucradas. La última parte de la tesis trata también sobre un problema de sloshing pero esta vez el tanque está oscilando con rotación y hay acoplamiento con un sistema mecánico. El sistema se llama pendulum-TLD (Tuned Liquid Damper - con líquido amortiguador). Este tipo de sistema se utiliza normalmente para la amortiguación de las estructuras civiles. El análisis se ha realizado analíticamente, numéricamente y experimentalmente utilizando líquidos con viscosidades diferentes, centrándose en características no lineales y mecanismos de disipación. ABSTRA C T The subject of the present thesis is the interaction between a viscous fluid and a solid body in the presence of a free surface. The problem is expressed first theoretically with a particular focus on the energy conservation and the fluid-body interaction. The problem is considered 2D and monophasic, and some mathematical development allows for a decomposition of the energy dissipation into terms related to the Free Surface and others related to the enstrophy. The numerical model used on the thesis is based on Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH): a computational method that works by dividing the fluid into particles. Analogously to what is done at continuum level, the conservation properties are studied on the discrete system of particles. Additionally the boundary conditions for a moving body in a viscous flow are treated and discussed using the ghost-fluid method. An explicit algorithm for handling fluid-body coupling is also developed. Following these theoretical developments on the numerical model, some test cases are devised in order to test the ability of the model to correctly reproduce the energy dissipation and the motion of the body. The attenuation of a standing wave is used to compare what is numerically simulated to what is theoretically predicted. Further tests are done in order to monitor the energy dissipation in case of more violent flows involving the fragmentation of the free-surface. The amount of energy dissipated with the different terms is assessed with the numerical model. Other numerical tests are performed in order to test the fluid/body interaction method: forces exerted by waves on simple shapes, and equilibrium of a floating body with a complex shape. Once the numerical model has been validated, numerical tests are performed in order to get a more complete understanding of the physics involved in (almost) realistic cases. First a study is performed on the flow passing a cylinder under the free surface. The study is performed at moderate Reynolds numbers, for various cylinder submergences, and various Froude numbers. The capacity of the numerical solver allows for an investigation of the complex patterns which occur. The wake from the cylinder interacts with the free surface, and some characteristical flow mechanisms are identified. The second study is done on the sloshing problem, both experimentally and numerically. The analysis is restrained to shallow water and horizontal excitation, but a large number of conditions are studied, leading to quite a complete understanding of the wave systems involved. The last part of the thesis still involves a sloshing problem but this time the tank is rolling and there is coupling with a mechanical system. The system is named pendulum-TLD (Tuned Liquid Damper). This kind of system is normally used for damping of civil structures. The analysis is then performed analytically, numerically and experimentally for using liquids with different viscosities, focusing on non-linear features and dissipation mechanisms.

Estudo da intensificação da coalescência de emulsões de água em óleo com a aplicação de onda estacionária de ultrassom.

Considerando que o petróleo quando extraído dos poços em águas profundas chega a ter teor de água superior a 50% e que antes de ser enviado à refinaria deve ter uma quantidade de água inferior a 1%, torna-se necessário o uso de técnicas de redução da quantidade de água. Durante a extração do petróleo formam-se emulsões de água em óleo que são muito estáveis devido a um filme interfacial contendo asfaltenos e/ou resinas ao redor das gotas de água. Nesse trabalho é apresentada a utilização de ondas estacionárias de ultrassom para realizar a quebra dessas emulsões. Quando gotículas de água com dimensões da ordem de 10m, muito menores que o comprimento de onda, são submetidas a um campo acústico estacionário em óleo, a força de radiação acústica empurra as gotículas para os nós de pressão da onda. Uma célula de coalescência com frequência central ao redor de 1 MHz, constituída por quatro camadas sendo uma piezelétrica, uma de acoplamento sólido, uma com o líquido e outra refletora, foi modelada empregando o método da matriz de transferência, que permite calcular a impedância elétrica em função da frequência. Para minimizar o efeito do gradiente de temperatura entre a entrada e a saída da cavidade da célula, quando está em operação, foram utilizados dois transdutores piezelétricos posicionados transversalmente ao fluxo que são excitados e controlados independentemente. Foi implementado um controlador digital para ajustar a frequência e a potência de cada transdutor. O controlador tem como entrada o módulo e a fase da corrente elétrica no transdutor e como saída a amplitude da tensão elétrica e a frequência. Para as células desenvolvidas, o algoritmo de controle segue um determinado pico de ressonância no interior da cavidade da célula no intervalo de frequência de 1,09 a 1,15 MHz. A separação acústica de emulsões de água em óleo foi realizada em uma planta de laboratório de processamento de petróleo no CENPES/PETROBRAS. Foram testados a variação da quantidade de desemulsificante, o teor inicial de água na emulsão e a influência da vazão do sistema, com uma potência de 80 W. O teor final de água na emulsão mostrou que a aplicação de ultrassom aumentou a coalescência de água da emulsão, em todas as condições testadas, quando comparada a um teste sem aplicação de ultrassom. Identificou-se o tempo de residência no interior da célula de separação como um fator importante no processo de coalescência de emulsões de água e óleo. O uso de desemulsificante químico é necessário para realizar a separação, porém, em quantidades elevadas implicaria no uso de processos adicionais antes do repasse final do petróleo à refinaria. Os teores iniciais de água na emulsão de 30 e 50% indicam que o uso da onda estacionária na coalescência de emulsões não tem limitação quanto a esse parâmetro. De acordo com os resultados obtidos em laboratório, essa técnica seria indicada como uma alternativa para integrar um sistema de processamento primário em conjunto com um separador eletrostático.

Nondiffracting Bessel plasmons

We report on the existence of nondiffracting Bessel surface plasmon polaritons (SPPs), advancing at either superluminal or subluminal phase velocities. These wave fields feature deep subwavelength FWHM, but are supported by high-order homogeneous SPPs of a metal/dielectric (MD) superlattice. The beam axis can be relocated to any MD interface, by interfering multiple converging SPPs with controlled phase matching. Dissipative effects in metals lead to a diffraction-free regime that is limited by the energy attenuation length. However, the ultra-localization of the diffracted wave field might still be maintained by more than one order of magnitude.

Diffraction-managed superlensing using metallodielectric heterostructures

We show that subwavelength diffracted wave fields may be managed inside multilayered plasmonic devices to achieve ultra-resolving lensing. For that purpose we first transform both homogeneous waves and a broad band of evanescent waves into propagating Bloch modes by means of a metal/dielectric (MD) superlattice. Beam spreading is subsequently compensated by means of negative refraction in a plasmon-induced anisotropic effective-medium that is cemented behind. A precise design of the superlens doublet may lead to nearly aberration-free images with subwavelength resolution in spite of using optical paths longer than a wavelength.

Dyakonov surface waves in lossy metamaterials

We analyze the existence of localized waves in the vicinities of the interface between two dielectrics, provided one of them is uniaxial and lossy. We found two families of surface waves, one of them approaching the well-known Dyakonov surface waves (DSWs). In addition, a new family of wave fields exists which are tightly bound to the interface. Although its appearance is clearly associated with the dissipative character of the anisotropic material, the characteristic propagation length of such surface waves might surpass the working wavelength by nearly two orders of magnitude.

Mechanics of pneumatic tires.

Mode of access: Internet.

Effect of anode material and cavity design on the performance of microcavity OLEDs

We report on the effect of the replacement of the conventional ITO anode with the semitransparent metallic material on the performance of microcavity OLEDs. We performed comprehensive simulations of the emission from microcavity OLEDs consisting of widely used organic materials, N,N′-di(naphthalene-1- yl)-N,N′-diphenylbenzidine (NPB) as a hole transport layer and tris (8-hydroxyquinoline) (Alq3) as emitting and electron transporting layer. Silver and LiF/Al were considered as a cathode, while metallic (Au and Ag) anode was used and simulations were performed on devices with both the metallic and conventional ITO anode. The electroluminescence emission spectra, electric field distribution inside the device, carrier density, recombination rate and exciton density were calculated as a function of the position of the emission layer. The results show that the metallic anode enhances light output and that optimum emission from a microcavity OLED is achieved when the position of the recombination region is aligned with the antinode of the standing wave inside the cavity. The microcavity OLED devices with Ag/Ag and Ag/Au mirrors were fabricated and characterized. The experimental results have been compared to the simulations and the influence of the different anode, emission region width and position on the performance of microcavity OLEDs was discussed.

Resonant gradient force on atom interacting with laser field

The gradient force, as a function of position and velocity, is derived for a two-level atom interacting with a standing-wave laser field. Basing on optical Bloch equations, the numerical solutions for the gradient force f_(|_;n) (n = 0, 1, 2, 3, 4, ...) pointing in the direction of the transverse of the laser beam are given. It is shown the higher order gradient force plays important role at strong intensity (G = 64), the contribution of them can not be neglected.