Optical measurement of the temporal delay between two ultra-short and focussed laser pluses

Temporal overlapping of ultra-short and focussed laser pulses is a particularly challenging task, as this timescale lies orders of magnitude below the typical range of fast electronic devices. Here we present an optical technique that allows for the measurement of the temporal delay between two focussed and ultra-short laser pulses. This method is virtually applicable to any focussing geometry and relative intensity of the two lasers. Experimental implementation of this technique provides excellent quantitative agreement with theoretical expectations. The proposed technique will prove highly beneficial for high-power multiple-beam laser experiments.

Ultra-high-resolution Observations of MHD Waves in Photospheric Magnetic Structures

Here we review the recent progress made in the detection, examination, characterisation and interpretation of oscillations manifesting in small-scale magnetic elements in the solar photosphere. This region of the Sun's atmosphere is especially dynamic, and importantly, permeated with an abundance of magnetic field concentrations. Such magnetic features can span diameters of hundreds to many tens of thousands of km, and are thus commonly referred to as the `building blocks' of the magnetic solar atmosphere. However, it is the smallest magnetic elements that have risen to the forefront of solar physics research in recent years. Structures, which include magnetic bright points, are often at the diffraction limit of even the largest of solar telescopes. Importantly, it is the improvements in facilities, instrumentation, imaging techniques and processing algorithms during recent years that have allowed researchers to examine the motions, dynamics and evolution of such features on the smallest spatial and temporal scales to date. It is clear that while these structures may demonstrate significant magnetic field strengths, their small sizes make them prone to the buffeting supplied by the ubiquitous surrounding convective plasma motions. Here, it is believed that magnetohydrodynamic waves can be induced, which propagate along the field lines, carrying energy upwards to the outermost extremities of the solar corona. Such wave phenomena can exist in a variety of guises, including fast and slow magneto-acoustic modes, in addition to Alfven waves. Coupled with rapid advancements in magnetohydrodynamic wave theory, we are now in an ideal position to thoroughly investigate how wave motion is generated in the solar photosphere, which oscillatory modes are most prevalent, and the role that these waves play in supplying energy to various layers of the solar atmosphere.

Numerical modelling of Compton Scattering in ultra-intense laser pulses

We examine current methods of numerically implementing Compton scattering in the context of intense laser-matter interactions. In a recent publication [1] it has been shown that a commonly used approach generates the correct spectra in nearly all cases, except those when the harmonic structure is important. Here we provide an explanation for this using an alternative, classical argument.

Control of ionization and dissociation of H2+ by elliptically polarized ultra-short VUV laser pulses

Resonance-enhanced multiphoton ionization of H₂ ⁺ exposed to elliptically polarized VUV laser pulses is investigated. Differential cross sections for nuclei and electron are obtained using numerical solutions of the time-dependent Schrödinger equation. In this work in progress, we explore the dependence of the dissociative ionization observables with the polarization of the light.

Ion acceleration and plasma jet formation in ultra-thin foils undergoing expansion and relativistic transparency

At sufficiently high laser intensities, the rapid heating to relativistic velocities and resulting decompression of plasma electrons in an ultra-thin target foil can result in the target becoming relativistically transparent to the laser light during the interaction. Ion acceleration in this regime is strongly affected by the transition from an opaque to a relativistically transparent plasma. By spatially resolving the laser-accelerated proton beam at near-normal laser incidence and at an incidence angle of 30°, we identify characteristic features both experimentally and in particle-in-cell simulations which are consistent with the onset of three distinct ion acceleration mechanisms: sheath acceleration; radiation pressure acceleration; and transparency-enhanced acceleration. The latter mechanism occurs late in the interaction and is mediated by the formation of a plasma jet extending into the expanding ion population. The effect of laser incident angle on the plasma jet is explored.

Inexact-aware architecture design for ultra-low power bio-signal analysis

This study introduces an inexact, but ultra-low power, computing architecture devoted to the embedded analysis of bio-signals. The platform operates at extremely low voltage supply levels to minimise energy consumption. In this scenario, the reliability of static RAM (SRAM) memories cannot be guaranteed when using conventional 6-transistor implementations. While error correction codes and dedicated SRAM implementations can ensure correct operations in this near-threshold regime, they incur in significant area and energy overheads, and should therefore be employed judiciously. Herein, the authors propose a novel scheme to design inexact computing architectures that selectively protects memory regions based on their significance, i.e. their impact on the end-to-end quality of service, as dictated by the bio-signal application characteristics. The authors illustrate their scheme on an industrial benchmark application performing the power spectrum analysis of electrocardiograms. Experimental evidence showcases that a significance-based memory protection approach leads to a small degradation in the output quality with respect to an exact implementation, while resulting in substantial energy gains, both in the memory and the processing subsystem.

Heterogeneous error-resilient scheme for spectral analysis in ultra-low power wearable electrocardiogram devices

Wearable devices performing advanced bio-signal analysis algorithms are aimed to foster a revolution in healthcare provision of chronic cardiac diseases. In this context, energy efficiency is of paramount importance, as long-term monitoring must be ensured while relying on a tiny power source. Operating at a scaled supply voltage, just above the threshold voltage, effectively helps in saving substantial energy, but it makes circuits, and especially memories, more prone to errors, threatening the correct execution of algorithms. The use of error detection and correction codes may help to protect the entire memory content, however it incurs in large area and energy overheads which may not be compatible with the tight energy budgets of wearable systems. To cope with this challenge, in this paper we propose to limit the overhead of traditional schemes by selectively detecting and correcting errors only in data highly impacting the end-to-end quality of service of ultra-low power wearable electrocardiogram (ECG) devices. This partition adopts the protection of either significant words or significant bits of each data element, according to the application characteristics (statistical properties of the data in the application buffers), and its impact in determining the output. The proposed heterogeneous error protection scheme in real ECG signals allows substantial energy savings (11% in wearable devices) compared to state-of-the-art approaches, like ECC, in which the whole memory is protected against errors. At the same time, it also results in negligible output quality degradation in the evaluated power spectrum analysis application of ECG signals.

Ultra-High-Resolution Observations of MHD Waves in Photospheric Magnetic Structures

This chapter reviews the recent observations of waves and oscillations manifesting in fine-scale magnetic structures in the solar photosphere, which are often interpreted as the "building blocks' of the magnetic Sun. The authors found, through phase relationships between the various waveforms, that small-scale magnetic bright points (MBPs) in the photosphere demonstrated signatures of specific magnetoacoustic waves, in particular the sausage and kink modes. Modern magnetohydrodynamic (MHD) simulations of the lower solar atmosphere clearly show how torsional motions can easily be induced in magnetic elements in the photosphere through the processes of vortical motions and/or buffeting by neighboring granules. The authors detected significant power associated with high-frequency horizontal motions, and suggested that these cases may be especially important in the creation of a turbulent environment that efficiently promotes Alfvén wave dissipation.

ALMA-resolved salt emission traces the chemical footprint and inner wind morphology of VY Canis Majoris

(abreviated) We aim to study the inner-wind structure (R<250 Rstar) of the well-known red supergiant VY CMa. We analyse high spatial resolution (~0".24x0".13) ALMA Science Verification (SV) data in band 7 in which four thermal emission lines of gaseous sodium chloride (NaCl) are present at high signal-to-noise ratio. For the first time, the NaCl emission in the inner wind region of VY CMa is spatially resolved. The ALMA observations reveal the contribution of up to four different spatial regions. The NaCl emission pattern is different compared to the dust continuum and TiO2 emission already analysed from the ALMA SV data. The emission can be reconciled with an axisymmetric geometry, where the lower density polar/rotation axis has a position angle of ~50 degrees measured from north to east. However, this picture can not capture the full morphological diversity, and discrete mass ejection events need to be invoked to explain localized higher-density regions. The velocity traced by the gaseous NaCl line profiles is significantly lower than the average wind terminal velocity, and much slower than some of the fastest mass ejections, signalling a wide range of characteristic speeds for the mass loss. Gaseous NaCl is detected far beyond the main dust condensation region. Realising the refractory nature of this metal halide, this hints at a chemical process preventing all NaCl from condensing onto dust grains. We show that in the case of the ratio of the surface binding temperature to the grain temperature being ~50, only some 10% of NaCl remains in gaseous form, while for lower values of this ratio thermal desorption efficiently evaporates NaCl. Photodesorption by stellar photons seems not to be a viable explanation for the detection of gaseous NaCl at 220 Rstar from the central star, and instead, we propose shock-induced sputtering driven by localized mass ejection events as alternative.

Computerized key to the genus Bursaphelenchus Fuchs, analysis of species clusters based on morphology, using information of insect vectors and associated plants, with a revision of the genus.

The genus Bursaphelenchus includes B. xylophilus (Steiner et Buhrer, 1934) Nickle, 1981, which is of world economic and quarantine importance. Distinction among several species of the pinewood nematodes species complex (PWNSC) is often difficult. Besides standard morphology, morphometrics and molecular biology, new tools are welcome to better understand this group. The computerized (or e-) key of this genus, presented in this communication, includes 74 species (complete list of valid species of the world fauna) and 35 characters, that were used by the taxonomic experts of this group, in the original descriptions. Morphology of sex organs (male spicules and female vulval region) was digitized and classified to distinguish alternative types. Several qualitative characters with overlapping character states (expressions) were transformed into the morphometric indices with the discontinuous ranges (characters of ratios of the spicule dimensions). Characters and their states (expressions) were illustrated in detail and supplied by brief user-friendly comments. E-key was created in the BIKEY identification system (Dianov & Lobanov, 1996-2004). The system has built-algorithm ranging characters depending on their diagnostic values at each step of identification. Matrix of species and the character states (structural part of the e-key database) may be easily transformed using statistical packages into the dendrograms of general phenetic similarities (UPGMA, standard distance: mean character difference). It may be useful in the detailed analysis of taxonomy and evolution of the genus and in its splitting to the species groups based on morphology. The verification of the dendrogram using the information on the species links with insect vectors and their associated plants, provided an opportunity to recognize the five clusters (xylophilus, hunti, eremus sensu stricto, tusciae and piniperdae sensu stricto), which seem to be the natural species groups. The hypothesis about the origin and the first stages of the genus evolution is proposed. A general review of the genus Bursaphelenchus is presented.

On the vulval morphology of some species of Bursaphelenchus (Nematoda: Parasitaphelenchinae)

The vulval pattern of six species of the genus Bursaphelenchus (B. abruptus, B. conicaudatus, B. fraudulentus, B. luxuriosae, B. mucronatus and B. xylophilus) was studied using scanning electron microscopy. A terminology for the vulval region structures observed is proposed herein and illustrated by micrographs and line drawings. It was shown that, of the studied species, only B. mucronatus and B. xylophilus share an identical morphology of the vulval region, all other species differing significantly from each other and from both B. mucronatus and B. xylophilus. This study indicates the diagnostic potential for variation in vulval morphology within Bursaphelenchus and it is recommended that such features are recorded in all future descriptions.

Bottom up strategies for the morphology control of BaTiO3 particulates

As propriedades funcionais dos materiais ferroeléctricos tais como a polarização reversível, piroelectricidade, piezoelectricidade, elevada actividade óptica não linear e comportamento dieléctrico não linear são fundamentais para a sua aplicação em sensores, microactuadores, detectores de infravermelhos, filtros de fase de microondas e memórias não-voláteis. Nos últimos anos, motivado pelas necessidades industriais de redução do tamanho dos dispositivos microelectrónicos, aumentando a eficiência volumétrica, tem sido feito um grande esforço ao nível da investigação para desenvolver estruturas ferroeléctricas à escala micro- e nano- métrica. É sabido que a redução de tamanho em materiais ferroeléctricos afecta significamente as suas propriedades. Neste sentido e considerando que foi previsto teoreticamente por cálculos ab initio que estruturas do tipo nanocilindros e nanodiscos apresentariam um novo tipo de ordem ferroeléctrica e, na expectativa de alcançar conhecimento para o desenvolvimento de uma nova geração de dispositivos microelectróncos, existe um grande interesse em desenvolver métodos de fabrico de nanoestruturas ferroeléctricas unidimensionais (1D) tais como nanocilindros e nanotubos. As estratégias de fabrico de nanoestruturas 1D até agora descritas na literatura indicam claramente as dificuldades inerentes à sua preparação. Existem duas grandes vias de síntese destas nanoestruturas: i) o método “topdown” que consiste na redução de tamanho de um dado material até à obtenção duma estrutura 1D; e ii) o método “bottom-up” em que átomos, iões e moléculas são agrupados para formar um material 1D. O método “top down” envolve em geral técnicas de desgaste, como o uso do feixe de electrões, que apesar de permitirem elevada precisão no posicionamento e no controlo do tamanho, falham em termos de resolução, exigem muito tempo e causam facilmente defeitos que deterioram as propriedades físicas destes materiais. Na metodologia “bottom up” a utilização de moléculas ou estruturas “molde” tem sido a mais explorada. As estructuras 1D podem também ser preparadas sem recorrer a “moldes”. Neste caso a agregação orientada é promovida pelo recurso a aditivos que controlam o crescimento dos cristais em direcções preferenciais. Neste contexto, neste trabalho utilizaram-se duas estratégias “bottom up” de baixo custo para a preparação de nanopartículas de titanato de bário (BaTiO3) com morfologia controlada: 1) síntese química (em solução e em fase vapor) com utilização de nanotubos de titanato TiNTs) como “moldes” e precursores de titânio 2) síntese química em solução com presença de aditivos. Os nanotubos de titanato de sódio foram preparados por síntese hidrotermal. Como existiam muitas dúvidas acerca da natureza estrutural e do mecanismo de formação dos NTs, a parte inicial do trabalho foi dedicada à realização de um estudo sistemático dos parâmetros intervenientes na síntese e à caracterização da sua estrutura e microestrutura. Foi demonstrado que os NTs têm a fórmula geral A2Ti2O5 (A = H+ or Na+), e não TiO2 (anátase) com defendido por vários autores na literatura, e podem ser preparados por método hidrotermal em meio fortemente alcalino usando como fonte de titânio TiO2 comercial na forma de anátase ou rútilo. A menor reactividade do rútilo exige temperaturas de síntese superiores ou tempos de reacção mais longos. A forma tubular resulta do tratamento hidrotermal e não de processos de lavagem e neutralização subsequentes. Se os NTs forem tratados após a síntese hidrotérmica em água a 200 ºC, transformam-se em nanocilindros. Uma das partes principais desta tese consistiu na investigação do papel dos NTs de titanato no crescimento anisotrópico de BaTiO3. O potencial funcionamento dos NTs como “moldes” para além de precursores foi testado em reacção com hidróxido de bário em síntese em solução e por reacção com um precursor orgânico de bário em fase vapor. Tendo por base os estudos cinéticos realizados, bem como as alterações estruturais e morfológicas das amostras, é possível concluir que a formação do BaTiO3 a partir de NTs de titanato de sódio, ocorre por dois mecanismos dependendo da temperatura e tempo de reacção. Assim, a baixa temperatura e curto tempo de reacção verifica-se que se formam partículas dendríticas de BaTiO3 cuja superfície é bastante irregular (“wild”) e que apresentam estrutura pseudo-cúbica. Estas partículas formam-se por reacção topotáctica na fronteira dos nanotubos de titanato de sódio. A temperaturas mais altas e/ou reacções mais longas, a reacção é controlada por um mecanismo de dissolução e precipitação com formação de dendrites de BaTiO3 tetragonais com superfície mais regular (“seaweed”). A microscopia de força piezoeléctrica mostrou que as dendrites “seaweeds“ possuem actividade piezoeléctrica superior à das dendrites “wild”, o que confirma o papel desempenhado pela estrutura e pela concentração de defeitos na rede na coerência e ordem ferroeléctrica de nanoestruturas. Os nossos resultados confirmam que os NTs de titanato não actuam facilmente como “moldes” na síntese em solução de BaTiO3 já que a velocidade de dissolução dos NTs em condições alcalinas é superior à velocidade de formação do BaTiO3. Assumindo que a velocidade de reacção dos NTs com o precursor de bário é superior em fase vapor, efectuou-se a deposição de um precursor orgânico de bário por deposição química de vapor sobre um filme de NTs de titnato de sódio depositados por deposição electroforética. Estudou-se a estabilidade dos NTs nas diferentes condições do reactor. Quando os NTs são tratados a temperaturas superiores a 700 ºC, ocorre a transformação dos NTs em nanocilindros de anatase por um mecanismo de agregação orientada. Quando se faz a deposição do precursor de bário, seguida de calcinação a 700 ºC em atmosfera oxidante de O2, verifica-se que a superficie dos NTs fica coberta com nanocristais de BaTiO3 independentemente da concentração de bário. O papel dos NTs de titanato no crescimento anisotrópico de BaTiO3 em fase vapor é assim descrito pela primeira vez. Em relação à metodologias de crescimento de partículas na ausência de “moldes” mas com aditivos fez-se um estudo sistemático utilizando 5 aditivos de natureza differente. As diferenças entre aditivos foram sistematizadas tendo em conta as diferenças estruturais e morfológicas verificadas. Está provado que os aditivos podem funcionar como modificadores de crescimento cristalino por alteração do seu padrão de crescimento ou por alteração da cinética de crescimento das faces cristalográficas do cristal. Entre os aditivos testados verificou-se que o ácido poliacrilíco adsorve em faces específicas do BaTiO3 alterando a cinética de crescimento e induzindo a agregação orientada das partículas. O polivinilpirrolidona, o docecilsulfato de sódio e hidroxipropilmetilcelulose actuam mais como inibidores de crescimento do que como modificadores do tipo de crescimento. A D-frutose aumenta a energia de activação da etapa de nucleação não ocorrendo formação de BaTiO3 para as mesmas condições dos outros aditivos. Esta tese clarifica o papel dos NTs de titanato de sódio enquanto precursores e “moldes” no crescimento anisotrópico de BaTiO3 em solução e em fase vapor. É feita também a abordagem do controlo morfológico do BaTiO3 através do uso de aditivos. As estratégias de preparação de BaTiO3 propostas são de baixo custo, reprodutíveis e fáceis de efectuar. Os resultados contribuem para uma melhor compreensão da relação tamanho – morfologia – propriedade em materiais ferroeléctricos nanométricos com vista à sua potencial aplicação.

Morphological and ecological studies on the phylum Cycliophora

Cycliophora é um filo animal descrito recentemente que acomoda, apenas, duas espécies: Symbion pandora Funch e Kristensen, 1995 e S. americanus Obst, Funch e Kristensen, 2006. Este filo é caracterizado por um ciclo de vida assaz complexo, cuja posição filogenética tem sido debatida desde a sua descoberta. Esta dissertação visa aprofundar o conhecimento geral existente acerca destes enigmáticos e pouco explorados metazoários. Assim, vários aspectos da morfologia e ecologia de ciclióforos foram estudados através de observações in vivo, técnicas de microscopia e reconstrução tridimensional. A mioanatomia de várias fases do ciclo de vida é descrita para S. pandora e S. americanus. Os nossos resultados revelam uma similaridade contundente entre a musculatura das duas espécies. A mioanatomia geral de Symbion é, ainda, comparada à de outros metazoários. A expressão de algumas substâncias imunorreactivas, como são exemplo a serotonina e as sinapsinas, é investigada em várias formas do ciclo de vida. Quando comparados com outros representantes de Spiralia, conclui-se que a neuroanatomia geral dos ciclióforos se assemelha mais às formas larvares do que aos adultos. Apesar de possuírem um plano corporal sofisticado, com extensas áreas ciliadas e uma mioanatomia complexa, descobrimos que o macho de ambas as espécies Symbion é composto por apenas algumas dezenas de células. Baseando-nos nestas observações, inferimos que a complexidade dos metazoários não se relaciona com o tamanho corporal nem com o número de células de um organismo. Estudos sobre a ultra-estrutura da fêmea revelaram, entre outras estruturas, um putativo poro genital, extensões citoplasmáticas do oócito e glândulas posteriores. Morfologia e implicações funcionais destas estruturas são aqui discutidas. A anatomia do protonefrídeo da larva cordóide é descrita. A arquitectura deste órgão diverge daquela presente noutros representantes de Nephrozoa, particularmente ao nível da área de filtração da célula terminal. As nossas observações são discutidas em termos filogenéticos. A maturação sexual em ciclióforos é investigada. Os nossos resultados sugerem que a transição de reprodução assexual a sexual se relacione com a idade da forma séssil, a “feeding stage”. A presença da larva Prometeus assente no tronco desta também poderá influenciar o processo, embora mais estudos sejam desejáveis para o comprovar. Os nossos resultados são discutidos integrativa e comparativamente com o conhecimento prévio sobre Cycliophora. A cumulação deste conhecimento será essencial para a compreensão da evolução e filogenia deste enigmático filo.

Nanocompósitos de PMMA/HA/grafeno para aplicações biomédicas

Os cimentos ósseos à base de PMMA para aplicações em artroplastia da anca apresentam como grande limitação o facto do seu constituinte principal ser um elemento bioinerte o que leva à falta de integração entre as interfaces cimento ósseo/tecido ósseo, comprometendo assim o desempenho mecânico da prótese ortopédica ao longo do tempo. Esta dissertação tem como objetivo principal a preparação de novas formulações de cimentos ósseos com a capacidade de estabelecer interações com os tecidos vivos circundantes. De modo a melhorar a bioatividade do sistema e facilitar a sua osseointegração, os cimentos ósseos comerciais foram reforçados com cargas significativas de HA. No entanto o recurso a elevadas cargas de HA (~60% m/m) no cimento ósseo promove debilidades do ponto de vista estrutural, levando a uma baixa resistência mecânica do material final. No sentido de ultrapassar esta limitação, foram inseridas nanoestruturas de carbono (GO ou CNTs) em baixas percentagens na matriz polimérica por forma a maximizar a sua performance mecânica através da perfeita integração de todos os componentes. A primeira fase deste trabalho consistiu no desenvolvimento de metodologias que permitissem a síntese de GO através da exfoliação química da grafite em solução aquosa. Os resultados obtidos demonstraram a obtenção de folhas de GO em larga escala e com número de camadas uniforme. A funcionalização orgânica superficial via ATRP do GO obtido, com cadeias de PMMA possibilitou o desenvolvimento de novos materiais nanocompósitos, no entanto alguns fatores de natureza tecnológica inviabilizaram o seu uso como agente de reforço na matriz idealizada. O desenvolvimento de novas formulações de cimentos ósseos consistiu numa matriz de PMMA/HA (1:2 (m/m)) reforçada com pequenas percentagens de GO ou CNTs (0,01, 0,1, 0,5 e 1,0% m/m). A síntese destes materiais nanocompósitos resultou da combinação de diversas técnicas: ultrassons, granulação por congelamento e liofilização. A análise estrutural dos nanocompósitos obtidos demonstrou a eficácia da metodologia desenvolvida na homogeneização de todos os elementos do sistema. Os estudos desenvolvidos após a conformação e caracterização estrutural dos novos materiais nanocompósitos permitiram verificar que as nanoestruturas de carbono apresentavam efeitos adversos na polimerização via radicalar do PMMA. A análise da fração orgânica permitiu verificar a presença de espécies oligoméricas o que reduziu significativamente o comportamento mecânico dos nanocompósitos. Através do estudo do aumento da concentração das espécies radicalares iniciais foi possível suplantar este problema e tirar o máximo rendimento dos agentes de reforço, tendo-se destacado os nanocompósitos reforçados com GO. A validação do ponto de vista mecânico das novas formulações de cimentos ósseos recaiu sobre o procedimento descrito na norma europeia ISO 5833 de 2002 – Implantes para cirurgia – cimentos acrílicos, tendo sido realizados os testes de compressão e de flexão. A avaliação biológica do comportamento dos cimentos ósseos assentou em duas abordagens complementares: estudos de mineralização em SBF e estudos de biocompatibilidade em meios celulares. Após a incubação das amostras em SBF ficou demonstrada a excelente capacidade para promoverem a integração de uma camada apatítica. Através de estudos celulares com Fibroblastos L929 e Osteoblastos Saos-2, nos quais foram avaliados a proliferação celular, viabilidade celular, espécies reativas de oxigénio, apoptose e morfologia celular, foi possível verificar bons níveis de biocompatibilidade para os materiais devolvidos.