Reconsidering the Origins of Forsbergh Birefringence Patterns

In 1949, P. W. Forsbergh Jr. reported spontaneous spatial ordering in the birefringence patterns seen in flux-grown BaTiO3 crystals [1], under the transmission polarized light microscope [2]. Stunningly regular square-net arrays were often only found within a finite temperature window and could be induced on both heating and cooling, suggesting genuine thermodynamic stability. At the time, Forsbergh rationalized the patterns to have resulted from the impingement of ferroelastic domains, creating a complex tessellation of variously shaped domain packets. However, evidence for the intricate microstructural arrangement proposed by Forsbergh has never been found. Moreover, no robust thermodynamic argument has been presented to explain the region of thermal stability, its occurrence just below the Curie Temperature and the apparent increase in entropy associated with the loss of the Forsbergh pattern on cooling. As a result, despite decades of research on ferroelectrics, this ordering phenomenon and its thermodynamic origin have remained a mystery. In this paper, we re-examine the microstructure of flux-grown BaTiO3 crystals, which show Forsbergh birefringence patterns. Given an absence of any obvious arrays of domain polyhedra, or even regular shapes of domain packets, we suggest an alternative origin for the Forsbergh pattern, in which sheets of orthogonally oriented ferroelastic stripe domains simply overlay one another. We show explicitly that the Forsbergh birefringence pattern occurs if the periodicity of the stripe domains is above a critical value. Moreover, by considering well-established semiempirical models, we show that the significant domain coarsening needed to generate the Forsbergh birefringence is fully expected in a finite window below the Curie Temperature. We hence present a much more straightforward rationalization of the Forsbergh pattern than that originally proposed, in which exotic thermodynamic arguments are unnecessary.

Combined Conduction-Convection-Radiation Heat Transfer of Slip Flow inside a Micro-channel Filled with a Cellular Porous Material

Combined conduction–convection–radiation heat transfer is investigated numerically in a micro-channel filled with a saturated cellular porous medium, with the channel walls held at a constant heat flux. Invoking the velocity slip and temperature jump, the thermal behaviour of the porous–fluid system are studied by considering hydrodynamically fully developed flow and applying the Darcy–Brinkman flow model. One energy equation model based on the local thermal equilibrium condition is adopted to evaluate the temperature field within the porous medium. Combined conduction and radiation heat transfer is treated as an effective conduction process with a temperature-dependent effective thermal conductivity. Results are reported in terms of the average Nusselt number and dimensionless temperature distribution, as a function of velocity slip coefficient, temperature jump coefficient, porous medium shape parameter and radiation parameters. Results show that increasing the radiation parameter (Tr)(Tr) and the temperature jump coefficient flattens the dimensionless temperature profile. The Nusselt numbers are more sensitive to the variation in the temperature jump coefficient rather than to the velocity slip coefficient. Such that for high porous medium shape parameter, the Nusselt number is found to be independent of velocity slip. Furthermore, it is found that as the temperature jump coefficient increases, the Nusselt number decrease. In addition, for high temperature jump coefficients, the Nusselt number is found to be insensitive to the radiation parameters and porous medium shape parameter. It is also concluded that compared with the conventional macro-channels, wherein using a porous material enhances the rate of heat transfer (up to about 40 % compared to the clear channel), insertion of a porous material inside a micro-channel in slip regime does not effectively enhance the rate of heat transfer that is about 2 %.

Représentations et fusion des algèbres de Temperley-Lieb originale et diluée

Les algèbres de Temperley-Lieb originales, aussi dites régulières, apparaissent dans de nombreux modèles statistiques sur réseau en deux dimensions: les modèles d'Ising, de Potts, des dimères, celui de Fortuin-Kasteleyn, etc. L'espace d'Hilbert de l'hamiltonien quantique correspondant à chacun de ces modèles est un module pour cette algèbre et la théorie de ses représentations peut être utilisée afin de faciliter la décomposition de l'espace en blocs; la diagonalisation de l'hamiltonien s'en trouve alors grandement simplifiée. L'algèbre de Temperley-Lieb diluée joue un rôle similaire pour des modèles statistiques dilués, par exemple un modèle sur réseau où certains sites peuvent être vides; ses représentations peuvent alors être utilisées pour simplifier l'analyse du modèle comme pour le cas original. Or ceci requiert une connaissance des modules de cette algèbre et de leur structure; un premier article donne une liste complète des modules projectifs indécomposables de l'algèbre diluée et un second les utilise afin de construire une liste complète de tous les modules indécomposables des algèbres originale et diluée. La structure des modules est décrite en termes de facteurs de composition et par leurs groupes d'homomorphismes. Le produit de fusion sur l'algèbre de Temperley-Lieb originale permet de «multiplier» ensemble deux modules sur cette algèbre pour en obtenir un autre. Il a été montré que ce produit pouvait servir dans la diagonalisation d'hamiltoniens et, selon certaines conjectures, il pourrait également être utilisé pour étudier le comportement de modèles sur réseaux dans la limite continue. Un troisième article construit une généralisation du produit de fusion pour les algèbres diluées, puis présente une méthode pour le calculer. Le produit de fusion est alors calculé pour les classes de modules indécomposables les plus communes pour les deux familles, originale et diluée, ce qui vient ajouter à la liste incomplète des produits de fusion déjà calculés par d'autres chercheurs pour la famille originale. Finalement, il s'avère que les algèbres de Temperley-Lieb peuvent être associées à une catégorie monoïdale tressée, dont la structure est compatible avec le produit de fusion décrit ci-dessus. Le quatrième article calcule explicitement ce tressage, d'abord sur la catégorie des algèbres, puis sur la catégorie des modules sur ces algèbres. Il montre également comment ce tressage permet d'obtenir des solutions aux équations de Yang-Baxter, qui peuvent alors être utilisées afin de construire des modèles intégrables sur réseaux.

Das "zweite Leben" Erwin Chargaffs : kritische Essayistik zwischen den "Two cultures"

Magdalena Bachmann

State sum models for quantum gravity

This paper reviews the construction of quantum field theory on a 4-dimensional spacetime by combinatorial methods, and discusses the recent developments in the direction of a combinatorial construction of quantum gravity.

Geometrical measurements in three-dimensional quantum gravity

A set of observables is described for the topological quantum field theory which describes quantum gravity in three space-time dimensions with positive signature and positive cosmological constant. The simplest examples measure the distances between points, giving spectra and probabilities which have a geometrical interpretation. The observables are related to the evaluation of relativistic spin networks by a Fourier transform.

Sigma models for genuinely non-geometric backgrounds

The existence of genuinely non-geometric backgrounds, i.e. ones without geometric dual, is an important question in string theory. In this paper we examine this question from a sigma model perspective. First we construct a particular class of Courant algebroids as protobialgebroids with all types of geometric and non-geometric fluxes. For such structures we apply the mathematical result that any Courant algebroid gives rise to a 3D topological sigma model of the AKSZ type and we discuss the corresponding 2D field theories. It is found that these models are always geometric, even when both 2-form and 2-vector fields are neither vanishing nor inverse of one another. Taking a further step, we suggest an extended class of 3D sigma models, whose world volume is embedded in phase space, which allow for genuinely non-geometric backgrounds. Adopting the doubled formalism such models can be related to double field theory, albeit from a world sheet perspective.

The renormalization group via statistical inference

In physics, one attempts to infer the rules governing a system given only the results of imperfect measurements. Hence, microscopic theories may be effectively indistinguishable experimentally. We develop an operationally motivated procedure to identify the corresponding equivalence classes of states, and argue that the renormalization group (RG) arises from the inherent ambiguities associated with the classes: one encounters flow parameters as, e.g., a regulator, a scale, or a measure of precision, which specify representatives in a given equivalence class. This provides a unifying framework and reveals the role played by information in renormalization. We validate this idea by showing that it justifies the use of low-momenta n-point functions as statistically relevant observables around a Gaussian hypothesis. These results enable the calculation of distinguishability in quantum field theory. Our methods also provide a way to extend renormalization techniques to effective models which are not based on the usual quantum-field formalism, and elucidates the relationships between various type of RG.

Causal structure of the entanglement renormalization ansatz

We show that the multiscale entanglement renormalization ansatz (MERA) can be reformulated in terms of a causality constraint on discrete quantum dynamics. This causal structure is that of de Sitter space with a flat space-like boundary, where the volume of a spacetime region corresponds to the number of variational parameters it contains. This result clarifies the nature of the ansatz, and suggests a generalization to quantum field theory. It also constitutes an independent justification of the connection between MERA and hyperbolic geometry which was proposed as a concrete implementation of the AdS-CFT correspondence.

A proposal for self-correcting stabilizer quantum memories in 3 dimensions (or slightly less)

We propose a family of local CSS stabilizer codes as possible candidates for self-correcting quantum memories in 3D. The construction is inspired by the classical Ising model on a Sierpinski carpet fractal, which acts as a classical self-correcting memory. Our models are naturally defined on fractal subsets of a 4D hypercubic lattice with Hausdorff dimension less than 3. Though this does not imply that these models can be realized with local interactions in R3, we also discuss this possibility. The X and Z sectors of the code are dual to one another, and we show that there exists a finite temperature phase transition associated with each of these sectors, providing evidence that the system may robustly store quantum information at finite temperature.

Représentations et fusion des algèbres de Temperley-Lieb originale et diluée

Les algèbres de Temperley-Lieb originales, aussi dites régulières, apparaissent dans de nombreux modèles statistiques sur réseau en deux dimensions: les modèles d'Ising, de Potts, des dimères, celui de Fortuin-Kasteleyn, etc. L'espace d'Hilbert de l'hamiltonien quantique correspondant à chacun de ces modèles est un module pour cette algèbre et la théorie de ses représentations peut être utilisée afin de faciliter la décomposition de l'espace en blocs; la diagonalisation de l'hamiltonien s'en trouve alors grandement simplifiée. L'algèbre de Temperley-Lieb diluée joue un rôle similaire pour des modèles statistiques dilués, par exemple un modèle sur réseau où certains sites peuvent être vides; ses représentations peuvent alors être utilisées pour simplifier l'analyse du modèle comme pour le cas original. Or ceci requiert une connaissance des modules de cette algèbre et de leur structure; un premier article donne une liste complète des modules projectifs indécomposables de l'algèbre diluée et un second les utilise afin de construire une liste complète de tous les modules indécomposables des algèbres originale et diluée. La structure des modules est décrite en termes de facteurs de composition et par leurs groupes d'homomorphismes. Le produit de fusion sur l'algèbre de Temperley-Lieb originale permet de «multiplier» ensemble deux modules sur cette algèbre pour en obtenir un autre. Il a été montré que ce produit pouvait servir dans la diagonalisation d'hamiltoniens et, selon certaines conjectures, il pourrait également être utilisé pour étudier le comportement de modèles sur réseaux dans la limite continue. Un troisième article construit une généralisation du produit de fusion pour les algèbres diluées, puis présente une méthode pour le calculer. Le produit de fusion est alors calculé pour les classes de modules indécomposables les plus communes pour les deux familles, originale et diluée, ce qui vient ajouter à la liste incomplète des produits de fusion déjà calculés par d'autres chercheurs pour la famille originale. Finalement, il s'avère que les algèbres de Temperley-Lieb peuvent être associées à une catégorie monoïdale tressée, dont la structure est compatible avec le produit de fusion décrit ci-dessus. Le quatrième article calcule explicitement ce tressage, d'abord sur la catégorie des algèbres, puis sur la catégorie des modules sur ces algèbres. Il montre également comment ce tressage permet d'obtenir des solutions aux équations de Yang-Baxter, qui peuvent alors être utilisées afin de construire des modèles intégrables sur réseaux.

Reconstruction of inclusions in photothermal imaging

Photothermal imaging allows to inspect the structure of composite materials by means of nondestructive tests. The surface of a medium is heated at a number of locations. The resulting temperature field is recorded on the same surface. Thermal waves are strongly damped. Robust schemes are needed to reconstruct the structure of the medium from the decaying time dependent temperature field. The inverse problem is formulated as a weighted optimization problem with a time dependent constraint. The inclusions buried in the medium and their material constants are the design variables. We propose an approximation scheme in two steps. First, Laplace transforms are used to generate an approximate optimization problem with a small number of stationary constraints. Then, we implement a descent strategy alternating topological derivative techniques to reconstruct the geometry of inclusions with gradient methods to identify their material parameters. Numerical simulations assess the effectivity of the technique.

Stochastic and infinite dimensional analysis

This volume presents a collection of papers covering applications from a wide range of systems with infinitely many degrees of freedom studied using techniques from stochastic and infinite dimensional analysis, e.g. Feynman path integrals, the statistical mechanics of polymer chains, complex networks, and quantum field theory. Systems of infinitely many degrees of freedom create their particular mathematical challenges which have been addressed by different mathematical theories, namely in the theories of stochastic processes, Malliavin calculus, and especially white noise analysis. These proceedings are inspired by a conference held on the occasion of Prof. Ludwig Streit’s 75th birthday and celebrate his pioneering and ongoing work in these fields.