Gaussian phase-space representations for fermions

We introduce a positive phase-space representation for fermions, using the most general possible multimode Gaussian operator basis. The representation generalizes previous bosonic quantum phase-space methods to Fermi systems. We derive equivalences between quantum and stochastic moments, as well as operator correspondences that map quantum operator evolution onto stochastic processes in phase space. The representation thus enables first-principles quantum dynamical or equilibrium calculations in many-body Fermi systems. Potential applications are to strongly interacting and correlated Fermi gases, including coherent behavior in open systems and nanostructures described by master equations. Examples of an ideal gas and the Hubbard model are given, as well as a generic open system, in order to illustrate these ideas.

Temperature of a trapped unitary Fermi gas at finite entropy

We present theoretical predictions for the equation of state of a harmonically trapped Fermi gas in the unitary limit. Our calculations compare Monte Carlo results with the equation of state of a uniform gas using three distinct perturbation schemes. We show that in experiments the temperature can be usefully calibrated by making use of the entropy, which is invariant during an adiabatic conversion into the weakly interacting limit of molecular BEC. We predict the entropy dependence of the equation of state.

Advanced mean field methods:theory and practice

A major problem in modern probabilistic modeling is the huge computational complexity involved in typical calculations with multivariate probability distributions when the number of random variables is large. Because exact computations are infeasible in such cases and Monte Carlo sampling techniques may reach their limits, there is a need for methods that allow for efficient approximate computations. One of the simplest approximations is based on the mean field method, which has a long history in statistical physics. The method is widely used, particularly in the growing field of graphical models. Researchers from disciplines such as statistical physics, computer science, and mathematical statistics are studying ways to improve this and related methods and are exploring novel application areas. Leading approaches include the variational approach, which goes beyond factorizable distributions to achieve systematic improvements; the TAP (Thouless-Anderson-Palmer) approach, which incorporates correlations by including effective reaction terms in the mean field theory; and the more general methods of graphical models. Bringing together ideas and techniques from these diverse disciplines, this book covers the theoretical foundations of advanced mean field methods, explores the relation between the different approaches, examines the quality of the approximation obtained, and demonstrates their application to various areas of probabilistic modeling.

Modeling of Cylindrical Couette Flow of Rarefied Gas Between Rotating Cylinders

Петър Господинов, Добри Данков, Владимир Русинов, Стефан Стефанов - Изследвано е цилиндрично течение на Кует за разреден газ между два въртящи се цилиндъра. Получени са профилите на налягането, скоростта и температурата по метода на прякото статистическо моделиране (DSMC) и чрез числено решаване на уравненията на Навие-Стокс за свиваем флуид. Резултатите сочат много добро съвпадение за малки числа на Кнудсен Kn = 0.02. Показано е, че при различни кинематични гранични условия, газът изостава или избързва спрямо скоростта на стената, или има поведение на твърдо еластично тяло. Получените резултати са важни при решаването на неравнинни, задачи от микрофлуидиката с отчитане на ефектите на кривината.

Phase diagram of the bosonic double-exchange model

The phase diagram of the simplest approximation to double-exchange systems, the bosonic double-exchange model with antiferromagnetic (AFM) superexchange coupling, is fully worked out by means of Monte Carlo simulations, large-N expansions, and variational mean-field calculations. We find a rich phase diagram, with no first-order phase transitions. The most surprising finding is the existence of a segmentlike ordered phase at low temperature for intermediate AFM coupling which cannot be detected in neutron-scattering experiments. This is signaled by a maximum (a cusp) in the specific heat. Below the phase transition, only short-range ordering would be found in neutron scattering. Researchers looking for a quantum critical point in manganites should be wary of this possibility. Finite-size scaling estimates of critical exponents are presented, although large scaling corrections are present in the reachable lattice sizes.

Systematic characterization of thermodynamic and dynamical phase behavior in systems with short-ranged attraction

In this paper we demonstrate the feasibility and utility of an augmented version of the Gibbs ensemble Monte Carlo method for computing the phase behavior of systems with strong, extremely short-ranged attractions. For generic potential shapes, this approach allows for the investigation of narrower attractive widths than those previously reported. Direct comparison to previous self-consistent Ornstein-Zernike approximation calculations is made. A preliminary investigation of out-of-equilibrium behavior is also performed. Our results suggest that the recent observations of stable cluster phases in systems without long-ranged repulsions are intimately related to gas-crystal and metastable gas-liquid phase separation.

Utilisation de la tomodensitométrie à deux énergies pour le calcul de dose en curiethérapie à bas débit

Dans la pratique actuelle de la curiethérapie à bas débit, l'évaluation de la dose dans la prostate est régie par le protocole défini dans le groupe de travail 43 (TG-43) de l'American Association of Physicists in Medicine. Ce groupe de travail suppose un patient homogène à base d'eau de même densité et néglige les changements dans l'atténuation des photons par les sources de curiethérapie. En considérant ces simplifications, les calculs de dose se font facilement à l'aide d'une équation, indiquée dans le protocole. Bien que ce groupe de travail ait contribué à l'uniformisation des traitements en curiethérapie entre les hôpitaux, il ne décrit pas adéquatement la distribution réelle de la dose dans le patient. La publication actuelle du TG-186 donne des recommandations pour étudier des distributions de dose plus réalistes. Le but de ce mémoire est d'appliquer ces recommandations à partir du TG-186 pour obtenir une description plus réaliste de la dose dans la prostate. Pour ce faire, deux ensembles d'images du patient sont acquis simultanément avec un tomodensitomètre à double énergie (DECT). Les artéfacts métalliques présents dans ces images, causés par les sources d’iode, sont corrigés à l'aide d’un algorithme de réduction d'artefacts métalliques pour DECT qui a été développé dans ce travail. Ensuite, une étude Monte Carlo peut être effectuée correctement lorsque l'image est segmentée selon les différents tissus humains. Cette segmentation est effectuée en évaluant le numéro atomique effectif et la densité électronique de chaque voxel, par étalonnage stoechiométrique propre au DECT, et en y associant le tissu ayant des paramètres physiques similaires. Les résultats montrent des différences dans la distribution de la dose lorsqu'on compare la dose du protocole TG-43 avec celle retrouvée avec les recommandations du TG-186.

Mesure de sections efficaces absolues vibrationnelles pour la collision d’électrons de basse énergie (1-19 eV) avec le tétrahydrofurane (THF) condensé

Résumé: Ce mémoire de maîtrise est une étude des probabilités d’interactions (sections efficaces) des électrons de basse énergie avec une molécule d’intérêt biologique. Cette molécule est le tétrahydrofurane (THF) qui est un bon modèle de la molécule constituant la colonne vertébrale de l’ADN; le désoxyribose. Étant donné la grande quantité d’électrons secondaires libérés lors du passage des radiations à travers la matière biologique et sachant que ceux-ci déposent la majorité de l’énergie, l’étude de leurs interactions avec les molécules constituant l’ADN devient rapidement d’une grande importance. Les mesures de sections efficaces sont faites à l’aide d’un spectromètre à haute résolution de pertes d’énergie de l’électron. Les spectres de pertes d’énergie de l’électron obtenus de cet appareil permettent de calculer les valeurs de sections efficaces pour chaque vibration en fonction de l’énergie incidente de l’électron. L’article présenté dans ce mémoire traite de ces mesures et des résultats. En effet, il présente et explique en détail les conditions expérimentales, il décrit la méthode de déconvolution qui est utilisée pour obtenir les valeurs de sections efficaces et il présente et discute des 4 résonances observées dans la dépendance en énergie des sections efficaces. En effet, cette étude a permis de localiser en énergie 4 résonances et celles-ci ont toutes été confirmées par des recherches expérimentales et théoriques antérieures sur le sujet des collisions électrons lents-THF. En outre, jamais ces résonances n’avaient été observées simultanément dans une même étude et jamais la résonance trouvée à basse énergie n’avait été observée avec autant d’intensité que cette présente étude. Cette étude a donc permis de raffiner notre compréhension fondamentale des processus résonants impliqués lors de collisions d’électrons secondaires avec le THF. Les valeurs de sections efficaces sont, quant à elles, très prisées par les théoriciens et sont nécessaires pour les simulations Monte Carlo pour prédire, par exemple, le nombre d’ions formées après le passage des radiations. Ces valeurs pourront justement être utilisées dans les modèles de distribution et dépôt d’énergie au niveau nanoscopique dans les milieux biologiques et ceux-ci pourront éventuellement améliorer l’efficacité des modalités radiothérapeutiques.

Studies of Protein-Protein and Protein-Water Interactions by Small Angle X-Ray Scattering, Terahertz Spectroscopy, ASMOS, And Computer Simulation

The protein folding problem has been one of the most challenging subjects in biological physics due to its complexity. Energy landscape theory based on statistical mechanics provides a thermodynamic interpretation of the protein folding process. We have been working to answer fundamental questions about protein-protein and protein-water interactions, which are very important for describing the energy landscape surface of proteins correctly. At first, we present a new method for computing protein-protein interaction potentials of solvated proteins directly from SAXS data. An ensemble of proteins was modeled by Metropolis Monte Carlo and Molecular Dynamics simulations, and the global X-ray scattering of the whole model ensemble was computed at each snapshot of the simulation. The interaction potential model was optimized and iterated by a Levenberg-Marquardt algorithm. Secondly, we report that terahertz spectroscopy directly probes hydration dynamics around proteins and determines the size of the dynamical hydration shell. We also present the sequence and pH-dependence of the hydration shell and the effect of the hydrophobicity. On the other hand, kinetic terahertz absorption (KITA) spectroscopy is introduced to study the refolding kinetics of ubiquitin and its mutants. KITA results are compared to small angle X-ray scattering, tryptophan fluorescence, and circular dichroism results. We propose that KITA monitors the rearrangement of hydrogen bonding during secondary structure formation. Finally, we present development of the automated single molecule operating system (ASMOS) for a high throughput single molecule detector, which levitates a single protein molecule in a 10 µm diameter droplet by the laser guidance. I also have performed supporting calculations and simulations with my own program codes.

Random path sampling applied to vector models of magnetism

The recently reported Monte Carlo Random Path Sampling method (RPS) is here improved and its application is expanded to the study of the 2D and 3D Ising and discrete Heisenberg models. The methodology was implemented to allow use in both CPU-based high-performance computing infrastructures (C/MPI) and GPU-based (CUDA) parallel computation, with significant computational performance gains. Convergence is discussed, both in terms of free energy and magnetization dependence on field/temperature. From the calculated magnetization-energy joint density of states, fast calculations of field and temperature dependent thermodynamic properties are performed, including the effects of anisotropy on coercivity, and the magnetocaloric effect. The emergence of first-order magneto-volume transitions in the compressible Ising model is interpreted using the Landau theory of phase transitions. Using metallic Gadolinium as a real-world example, the possibility of using RPS as a tool for computational magnetic materials design is discussed. Experimental magnetic and structural properties of a Gadolinium single crystal are compared to RPS-based calculations using microscopic parameters obtained from Density Functional Theory.

Utilisation de la tomodensitométrie à deux énergies pour le calcul de dose en curiethérapie à bas débit

Dans la pratique actuelle de la curiethérapie à bas débit, l'évaluation de la dose dans la prostate est régie par le protocole défini dans le groupe de travail 43 (TG-43) de l'American Association of Physicists in Medicine. Ce groupe de travail suppose un patient homogène à base d'eau de même densité et néglige les changements dans l'atténuation des photons par les sources de curiethérapie. En considérant ces simplifications, les calculs de dose se font facilement à l'aide d'une équation, indiquée dans le protocole. Bien que ce groupe de travail ait contribué à l'uniformisation des traitements en curiethérapie entre les hôpitaux, il ne décrit pas adéquatement la distribution réelle de la dose dans le patient. La publication actuelle du TG-186 donne des recommandations pour étudier des distributions de dose plus réalistes. Le but de ce mémoire est d'appliquer ces recommandations à partir du TG-186 pour obtenir une description plus réaliste de la dose dans la prostate. Pour ce faire, deux ensembles d'images du patient sont acquis simultanément avec un tomodensitomètre à double énergie (DECT). Les artéfacts métalliques présents dans ces images, causés par les sources d’iode, sont corrigés à l'aide d’un algorithme de réduction d'artefacts métalliques pour DECT qui a été développé dans ce travail. Ensuite, une étude Monte Carlo peut être effectuée correctement lorsque l'image est segmentée selon les différents tissus humains. Cette segmentation est effectuée en évaluant le numéro atomique effectif et la densité électronique de chaque voxel, par étalonnage stoechiométrique propre au DECT, et en y associant le tissu ayant des paramètres physiques similaires. Les résultats montrent des différences dans la distribution de la dose lorsqu'on compare la dose du protocole TG-43 avec celle retrouvée avec les recommandations du TG-186.

“Acid-spike” effect in spurs/tracks of the low/high linear energy transfer radiolysis of water : potential implications for radiobiology and nuclear industry

Résumé : Les ions hydronium (H3O + ) sont formés, à temps courts, dans les grappes ou le long des trajectoires de la radiolyse de l'eau par des rayonnements ionisants à faible transfert d’énergie linéaire (TEL) ou à TEL élevé. Cette formation in situ de H3O + rend la région des grappes/trajectoires du rayonnement temporairement plus acide que le milieu environnant. Bien que des preuves expérimentales de l’acidité d’une grappe aient déjà été signalées, il n'y a que des informations fragmentaires quant à son ampleur et sa dépendance en temps. Dans ce travail, nous déterminons les concentrations en H3O + et les valeurs de pH correspondantes en fonction du temps à partir des rendements de H3O + calculés à l’aide de simulations Monte Carlo de la chimie intervenant dans les trajectoires. Quatre ions incidents de différents TEL ont été sélectionnés et deux modèles de grappe/trajectoire ont été utilisés : 1) un modèle de grappe isolée "sphérique" (faible TEL) et 2) un modèle de trajectoire "cylindrique" (TEL élevé). Dans tous les cas étudiés, un effet de pH acide brusque transitoire, que nous appelons un effet de "pic acide", est observé immédiatement après l’irradiation. Cet effet ne semble pas avoir été exploré dans l'eau ou un milieu cellulaire soumis à un rayonnement ionisant, en particulier à haut TEL. À cet égard, ce travail soulève des questions sur les implications possibles de cet effet en radiobiologie, dont certaines sont évoquées brièvement. Nos calculs ont ensuite été étendus à l’étude de l'influence de la température, de 25 à 350 °C, sur la formation in situ d’ions H3O + et l’effet de pic acide qui intervient à temps courts lors de la radiolyse de l’eau à faible TEL. Les résultats montrent une augmentation marquée de la réponse de pic acide à hautes températures. Comme de nombreux processus intervenant dans le cœur d’un réacteur nucléaire refroidi à l'eau dépendent de façon critique du pH, la question ici est de savoir si ces fortes variations d’acidité, même si elles sont hautement localisées et transitoires, contribuent à la corrosion et l’endommagement des matériaux.