Estimation of Symmetric Channels for Discrete Cosine Transform Type-I Multicarrier Systems: A Compressed Sensing Approach

The problem of channel estimation for multicarrier communications is addressed. We focus on systems employing the Discrete Cosine Transform Type-I (DCT1) even at both the transmitter and the receiver, presenting an algorithm which achieves an accurate estimation of symmetric channel filters using only a small number of training symbols. The solution is obtained by using either matrix inversion or compressed sensing algorithms. We provide the theoretical results which guarantee the validity of the proposed technique for the DCT1. Numerical simulations illustrate the good behaviour of the proposed algorithm.

Limited internal friction in the rate-limiting step of a two-state protein folding reaction

Small, single-domain proteins typically fold via a compact transition-state ensemble in a process well fitted by a simple, two-state model. To characterize the rate-limiting conformational changes that underlie two-state folding, we have investigated experimentally the effects of changing solvent viscosity on the refolding of the IgG binding domain of protein L. In conjunction with numerical simulations, our results indicate that the rate-limiting conformational changes of the folding of this domain are strongly coupled to solvent viscosity and lack any significant “internal friction” arising from intrachain collisions. When compared with the previously determined solvent viscosity dependencies of other, more restricted conformational changes, our results suggest that the rate-limiting folding transition involves conformational fluctuations that displace considerable amounts of solvent. Reconciling evidence that the folding transition state ensemble is comprised of highly collapsed species with these and similar, previously reported results should provide a significant constraint for theoretical models of the folding process.

Complexity, contingency, and criticality.

Complexity originates from the tendency of large dynamical systems to organize themselves into a critical state, with avalanches or "punctuations" of all sizes. In the critical state, events which would otherwise be uncoupled become correlated. The apparent, historical contingency in many sciences, including geology, biology, and economics, finds a natural interpretation as a self-organized critical phenomenon. These ideas are discussed in the context of simple mathematical models of sandpiles and biological evolution. Insights are gained not only from numerical simulations but also from rigorous mathematical analysis.

Thermodynamic glass transition in a spin glass without time-reversal symmetry

Spin glasses are a longstanding model for the sluggish dynamics that appear at the glass transition. However, spin glasses differ from structural glasses in a crucial feature: they enjoy a time reversal symmetry. This symmetry can be broken by applying an external magnetic field, but embarrassingly little is known about the critical behavior of a spin glass in a field. In this context, the space dimension is crucial. Simulations are easier to interpret in a large number of dimensions, but one must work below the upper critical dimension (i.e., in d < 6) in order for results to have relevance for experiments. Here we show conclusive evidence for the presence of a phase transition in a four-dimensional spin glass in a field. Two ingredients were crucial for this achievement: massive numerical simulations were carried out on the Janus special-purpose computer, and a new and powerful finite-size scaling method.

Finite-size scaling analysis of the distributions of pseudo-critical temperatures in spin glasses

Using the results of large scale numerical simulations we study the probability distribution of the pseudo critical temperature for the three dimensional Edwards Anderson Ising spin glass and for the fully connected Sherrington-Kirkpatrick model. We find that the behaviour of our data is nicely described by straightforward finitesize scaling relations.

Critical behavior of three-dimensional disordered Potts models with many states

We study the 3D Disordered Potts Model with p = 5 and p = 6. Our numerical simulations (that severely slow down for increasing p) detect a very clear spin glass phase transition. We evaluate the critical exponents and the critical value of the temperature, and we use known results at lower p values to discuss how they evolve for increasing p. We do not find any sign of the presence of a transition to a ferromagnetic regime.

Phase transition in the three dimensional Heisenberg spin glass: Finite-size scaling analysis

We have investigated the phase transition in the Heisenberg spin glass using massive numerical simulations to study very large sizes, 483. A finite-size scaling analysis indicates that the data are compatible with the most economical scenario: a common transition temperature for spins and chiralities.

Spin glass phase in the four-state three-dimensional Potts model

We perform numerical simulations, including parallel tempering, a four-state Potts glass model with binary random quenched couplings using the JANUS application-oriented computer. We find and characterize a glassy transition, estimating the critical temperature and the value of the critical exponents. Nevertheless, the extrapolation to infinite volume is hampered by strong scaling corrections. We show that there is no ferromagnetic transition in a large temperature range around the glassy critical temperature. We also compare our results with those obtained recently on the “random permutation” Potts glass.

Finite temperature dynamics of vortices in the two dimensional anisotropic Heisenberg model

We study the effects of finite temperature on the dynamics of non-planar vortices in the classical, two-dimensional anisotropic Heisenberg model with XY- or easy-plane symmetry. To this end, we analyze a generalized Landau-Lifshitz equation including additive white noise and Gilbert damping. Using a collective variable theory with no adjustable parameters we derive an equation of motion for the vortices with stochastic forces which are shown to represent white noise with an effective diffusion constant linearly dependent on temperature. We solve these stochastic equations of motion by means of a Green's function formalism and obtain the mean vortex trajectory and its variance. We find a non-standard time dependence for the variance of the components perpendicular to the driving force. We compare the analytical results with Langevin dynamics simulations and find a good agreement up to temperatures of the order of 25% of the Kosterlitz-Thouless transition temperature. Finally, we discuss the reasons why our approach is not appropriate for higher temperatures as well as the discreteness effects observed in the numerical simulations.

Controle cooperativo aplicado a sistemas de posicionamento dinâmico.

Hoje em dia com o crescente aumento da exploração de petróleo e gás em águas profundas, há um aumento na demanda por operações offshore envolvendo a cooperação entre unidades flutuantes. Tais operações requerem um alto nível de planejamento e coordenação, o que na maioria dos casos é feito com a troca de informação no nível de operação, com cada unidade flutuante comandada independentemente. Exemplos de operações deste tipo vão desde operações de alívio passando por operações de instalação de equipamento submarino, até operações de pesquisa envolvendo múltiplas unidades flutuantes dotadas de sistema de posicionamento dinâmico (DP). As vantagens do controle cooperativo surgem com a redução do erro da distância relativa durante a manutenção do posicionamento ou durante a execução de manobras de posicionamento conjuntas. No presente trabalho, os conceitos de controle de consenso são aplicados de forma combinada com o sistema DP de cada navio. A influência dos ganhos do controlador cooperativo no sistema como um todo será discutida, utilizando-se técnicas de análise da resposta em frequência. Simulações completas no domínio do tempo e experimentos usando modelos em escala serão utilizados para se demonstrar o funcionamento do controle cooperativo. Todas as simulações serão conduzidas no simulador Dynasim e os ensaios experimentais no tanque de provas da Engenharia Naval da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Além disso, serão feitas comparações entre os experimentos em tanque de provas e simulações numéricas equivalentes, demonstrando-se a validade dos ensaios numéricos. Será também demonstrado que os requisitos de projetos adotados são atendidos pelos ensaios em tanque de provas. .

Caracterização elétrica de túnel-FET em estrutura de nanofio com fontes de SiGe e Ge em função da temperatura.

Este trabalho teve como objetivo estudar os transistores de tunelamento por efeito de campo em estruturas de nanofio (NW-TFET), sendo realizado através de analises com base em explicações teóricas, simulações numéricas e medidas experimentais. A fim de avaliar melhorar o desempenho do NW-TFET, este trabalho utilizou dispositivos com diferentes materiais de fonte, sendo eles: Si, liga SiGe e Ge, além da variação da espessura de HfO2 no material do dielétrico de porta. Com o auxílio de simulações numéricas foram obtidos os diagramas de bandas de energia dos dispositivos NW-TFET com fonte de Si0,73Ge0,27 e foi analisada a influência de cada um dos mecanismos de transporte de portadores para diversas condições de polarização, sendo observado a predominância da influência da recombinação e geração Shockley-Read-Hall (SRH) na corrente de desligamento, do tunelamento induzido por armadilhas (TAT) para baixos valores de tensões de porta (0,5V > VGS > 1,5V) e do tunelamento direto de banda para banda (BTBT) para maiores valores tensões de porta (VGS > 1,5V). A predominância de cada um desses mecanismos de transporte foi posteriormente comprovada com a utilização do método de Arrhenius, sendo este método adotado em todas as análises do trabalho. O comportamento relativamente constante da corrente dos NW-TFETs com a temperatura na região de BTBT tem chamado a atenção e por isso foi realizado o estudo dos parâmetros analógicos em função da temperatura. Este estudo foi realizado comparando a influência dos diferentes materiais de fonte. O uso de Ge na fonte, permitiu a melhora na corrente de tunelamento, devido à sua menor banda proibida, aumentando a corrente de funcionamento (ION) e a transcondutância do dispositivo. Porém, devido à forte dependência de BTBT com o campo elétrico, o uso de Ge na fonte resulta em uma maior degradação da condutância de saída. Entretanto, a redução da espessura de HfO2 no dielétrico de porta resultou no melhor acoplamento eletrostático, também aumentando a corrente de tunelamento, fazendo com que o dispositivo com fonte Ge e menor HfO2 apresentasse melhores resultados analógicos quando comparado ao puramente de Si. O uso de diferentes materiais durante o processo de fabricação induz ao aumento de defeitos nas interfaces do dispositivo. Ao longo deste trabalho foi realizado o estudo da influência da densidade de armadilhas de interface na corrente do dispositivo, demonstrando uma relação direta com o TAT e a formação de uma região de platô nas curvas de IDS x VGS, além de uma forte dependência com a temperatura, aumentando a degradação da corrente para temperaturas mais altas. Além disso, o uso de Ge introduziu maior número de impurezas no óxido, e através do estudo de ruído foi observado que o aumento na densidade de armadilhas no óxido resultou no aumento do ruído flicker em baixa frequência, que para o TFET, ocorre devido ao armadilhamento e desarmadilhamento de elétrons na região do óxido. E mais uma vez, o melhor acoplamento eletrostático devido a redução da espessura de HfO2, resultou na redução desse ruído tornando-se melhor quando comparado à um TFET puramente de Si. Neste trabalho foi proposto um modelo de ruído em baixa frequência para o NW-TFET baseado no modelo para MOSFET. Foram realizadas apenas algumas modificações, e assim, obtendo uma boa concordância com os resultados experimentais na região onde o BTBT é o mecanismo de condução predominante.

Comportamento tribo-mecânico e desgaste adesivo de materiais em nanoescala: análises por dinâmica molecular e mecânica do contínuo.

As formulações baseadas na mecânica do contínuo, embora precisas até certo ponto, por vezes não podem ser utilizadas, ou não são conceitualmente corretas para o entendimento de fenômenos em escalas reduzidas. Estas limitações podem aparecer no estudo dos fenômenos tribológicos em escala nanométrica, que passam a necessitar de novos métodos experimentais, teóricos e computacionais que permitam explorar estes fenômenos com a resolução necessária. Simulações atomísticas são capazes de descrever fenômenos em pequena escala, porém, o número necessário de átomos modelados e, portanto, o custo computacional - geralmente torna-se bastante elevado. Por outro lado, os métodos de simulação associados à mecânica do contínuo são mais interessantes em relação ao custo computacional, mas não são precisos na escala atômica. A combinação entre essas duas abordagens pode, então, permitir uma compreensão mais realista dos fenômenos da tribologia. Neste trabalho, discutem-se os conceitos básicos e modelos de atrito em escala atômica e apresentam-se estudos, por meio de simulação numérica, para a análise e compreensão dos mecanismos de atrito e desgaste no contato entre materiais. O problema é abordado em diferentes escalas, e propõe-se uma abordagem conjunta entre a Mecânica do Contínuo e a Dinâmica Molecular. Para tanto, foram executadas simulações numéricas, com complexidade crescente, do contato entre superfícies, partindo-se de um primeiro modelo que simula o efeito de defeitos cristalinos no fenômeno de escorregamento puro, considerando a Dinâmica Molecular. Posteriormente, inseriu-se, nos modelos da mecânica do contínuo, considerações sobre o fenômeno de adesão. A validação dos resultados é feita pela comparação entre as duas abordagens e com a literatura.

Controlador integrado baseado em conceito híbrido e controle geométrico para embarcações posicionadas dinamicamente.

O conceito de controle híbrido é aplicado à operação de alívio entre um FPWSO e um navio aliviador. Ambos os navios mantêm suas posições e aproamentos pelo resultado da ação do seu Sistema de Posicionamento Dinâmico (SPD). O alívio dura cerca de 24 horas para ser concluído. Durante este período, o estado de mar pode se alterar e os calados estão sendo constantemente alterados. Um controlador híbrido é projetado para permitir modificacões dos parâmetros de controle/observação se alguma alteração significante do estado de mar e/ou calado das embarcações ocorrer. O principal objetivo dos controladores é manter o posicionamento relativo entre os navios com o intuito de evitar perigosa proximidade ou excesso de tensão no cabo. Com isto em mente, uma nova estratégia de controle que atue integradamente em ambos os navios é proposta baseda em geometria diferencial. Observadores não lineares baseados em passividade são aplicados para estimar a posição, a velocidade e as forças externas de mares calmos até extremos. O critério para troca do controle/observação é baseado na variação do calado e no estado de mar. O calado é assumido conhecido e o estado de mar é estimado pela frequência de pico do espectro do movimento de primeira ordem dos navios. Um modelo de perturbação é proposto para encontrar o número de controladores do sistema híbrido. A equivalência entre o controle geométrico e o controlador baseado em Multiplicadores de Lagrange é demonstrada. Assumindo algumas hipóteses, a equivalência entre os controladores geométrico e o PD é também apresentada. O desempenho da nova estratégia é avaliada por meio de simulações numéricas e comparada a um controlador PD. Os resultados apresentam muito bom desempenho em função do objetivo proposto. A comparação entre a abordagem geométrica e o controlador PD aponta um desempenho muito parecido entre eles.

Mechanical annealing of metallic electrodes at the atomic scale

The process of creating an atomically defined and robust metallic tip is described and quantified using measurements of contact conductance between gold electrodes and numerical simulations. Our experiments show how the same conductance behavior can be obtained for hundreds of cycles of formation and rupture of the nanocontact by limiting the indentation depth between the two electrodes up to a conductance value of approximately 5G0 in the case of gold. This phenomenon is rationalized using molecular dynamics simulations together with density functional theory transport calculations which show how, after repeated indentations (mechanical annealing), the two metallic electrodes are shaped into tips of reproducible structure. These results provide a crucial insight into fundamental aspects relevant to nanotribology or scanning probe microscopies.

Left-handed metamaterial coatings for subwavelength-resolution imaging

We report on a procedure to improve the resolution of far-field imaging by using a neighboring high-index medium that is coated with a left-handed metamaterial. The resulting plot can also exhibit an enhanced transmission by considering proper conditions to retract backscattering. Based on negative refraction, geometrical aberrations are considered in detail since they may cause a great impact in this sort of diffraction-unlimited imaging by reducing its resolution power. We employ a standard aberration analysis to refine the asymmetric configuration of metamaterial superlenses. We demonstrate that low-order centrosymmetric aberrations can be fully corrected for a given object plane. For subwavelength-resolution imaging, however, high-order aberrations become of relevance, which may be balanced with defocus. Not only the point spread function but also numerical simulations based on the finite-element method support our theoretical analysis, and subwavelength resolution is verified in the image plane.