Finite-size corrections of the entanglement entropy of critical quantum chains

Using the density matrix renormalization group, we calculated the finite-size corrections of the entanglement alpha-Renyi entropy of a single interval for several critical quantum chains. We considered models with U(1) symmetry such as the spin-1/2 XXZ and spin-1 Fateev-Zamolodchikov models, as well as models with discrete symmetries such as the Ising, the Blume-Capel, and the three-state Potts models. These corrections contain physically relevant information. Their amplitudes, which depend on the value of a, are related to the dimensions of operators in the conformal field theory governing the long-distance correlations of the critical quantum chains. The obtained results together with earlier exact and numerical ones allow us to formulate some general conjectures about the operator responsible for the leading finite-size correction of the alpha-Renyi entropies. We conjecture that the exponent of the leading finite-size correction of the alpha-Renyi entropies is p(alpha) = 2X(epsilon)/alpha for alpha > 1 and p(1) = nu, where X-epsilon denotes the dimensions of the energy operator of the model and nu = 2 for all the models.

Magnetic excitations in the spin-1 anisotropic antiferromagnet NiCl2-4SC(NH2)(2)

The spin-1 anisotropic antiferromagnet NiCl2-4SC(NH2)(2) exhibits a field-induced quantum phase transition that is formally analogous to Bose-Einstein condensation. Here we present results of systematic high-field electron spin resonance (ESR) experimental and theoretical studies of this compound with a special emphasis on single-ion two-magnon bound states. In order to clarify some remaining discrepancies between theory and experiment, the frequency-field dependence of magnetic excitations in this material is reanalyzed. In particular, a more comprehensive interpretation of the experimental signature of single-ion two-magnon bound states is shown to be fully consistent with theoretical results. We also clarify the structure of the ESR spectrum in the so-called intermediate phase.

Transverse single-spin asymmetry and cross section for pi(0) and eta mesons at large Feynman x in p(up arrow) + p collisions at root s=200 GeV

Measurements of the differential cross section and the transverse single-spin asymmetry, A(N), vs x(F) for pi(0) and eta mesons are reported for 0.4 < x(F) < 0.75 at an average pseudorapidity of 3.68. A data sample of approximately 6.3 pb(-1) was analyzed, which was recorded during p(up arrow) + p collisions at root s = 200 GeV by the STAR experiment at RHIC. The average transverse beam polarization was 56%. The cross section for pi(0), including the previously unmeasured region of x(F) > 0.55, is consistent with a perturbative QCD prediction, and the eta/pi(0) cross-section ratio agrees with existing midrapidity measurements. For 0.55 < x(F) < 0.75, the average A(N) for eta is 0.210 +/- 0.056, and that for pi(0) is 0.081 +/- 0.016. The probability that these two asymmetries are equal is similar to 3%.

Universal behavior of the Shannon mutual information of critical quantum chains

We consider the Shannon mutual information of subsystems of critical quantum chains in their ground states. Our results indicate a universal leading behavior for large subsystem sizes. Moreover, as happens with the entanglement entropy, its finite-size behavior yields the conformal anomaly c of the underlying conformal field theory governing the long-distance physics of the quantum chain. We study analytically a chain of coupled harmonic oscillators and numerically the Q-state Potts models (Q = 2, 3, and 4), the XXZ quantum chain, and the spin-1 Fateev-Zamolodchikov model. The Shannon mutual information is a quantity easily computed, and our results indicate that for relatively small lattice sizes, its finite-size behavior already detects the universality class of quantum critical behavior.

Spin-Restricted Coupled-Cluster-Theorie fuer offenschalige Zustaende

Spin-Restricted Coupled-Cluster-Theorie fuer offenschaligeZustaende Die Berechnung von Energien und Eigenschaften offenschaligerAtome undMolekuele mit Hilfe der hochgenauenCoupled-Cluster-(CC)-Theoriewar bisher mit einem - im Vergleich zur BerechnunggeschlossenschaligerZustaende - erhoehten Rechenaufwand und der sogenannten'Spinkontamination' behaftet. Um diesen Problemenentgegenzuwirken,stellten P.G.Szalay und J.Gauss die 'Spin-RestrictedCoupled-Cluster-Theorie' vor. Im Rahmen dieser Arbeit wird die urspruenglich aufDublett-Zustaendebeschraenkte Theorie so verallgemeinert, dass jederbeliebige Spinzustandmit einem einheitlichen Satz von Gleichungen beschriebenwerden kann. Dadie Moller-Plesset-(MP)-Stoerungstheorie bei der BerechnungoffenschaligerZustaende mit aehnlichen Problemen behaftet ist, wirddarueberhinaus dieSpin-Restricted-(SR)-MP-Stoerungstheorie zweiter und dritterOrdnungeingefuehrt. Um Molekueleigenschaften berechnen zu koennen,werdenanalytische Ableitungen der Energie sowohl fuer den SR-CC-als auch denSR-MP-Ansatz hergeleitet. Bei den folgenden Testrechnungenstellt sichheraus, dass sowohl SR-CC- als auch SR-MP-Ansaetze diegleiche Genauigkeitbieten wie konventionelle CC- und MP-Ansaetze. Dabei sinddieSpinerwartungswerte der SR-CC-Wellenfunktionen identisch mitdem exaktenWert. Im Rahmen der Testrechnungen stellt sich heraus, dassder SR-CC-Ansatz nicht 'size-konsistent', der numerische Fehler abervernachlaessigbar klein ist. Abschliessend werden dieHintergruende derfehlenden 'Size-Konsistenz' diskutiert.

Determination of the gluon polarisation from open charm production at COMPASS

One of the main goals of the COMPASS experiment at CERN is the determination of the gluon polarisation in the nucleon. It is determined from spin asymmetries in the scattering of 160 GeV/c polarised muons on a polarised LiD target. The gluon polarisation is accessed by the selection of photon-gluon fusion (PGF) events. The PGF-process can be tagged through hadrons with high transverse momenta or through charmed hadrons in the final state. The advantage of the open charm channel is that, in leading order, the PGF-process is the only process for charm production, thus no physical background contributes to the selected data sample. This thesis presents a measurement of the gluon polarisation from the COMPASS data taken in the years 2002-2004. In the analysis, charm production is tagged through a reconstructed D0-meson decaying in $D^{0}-> K^{-}pi^{+}$ (and charge conjugates). The reconstruction is done on a combinatorial basis. The background of wrong track pairs is reduced using kinematic cuts to the reconstructed D0-candidate and the information on particle identification from the Ring Imaging Cerenkov counter. In addition, the event sample is separated into D0-candidates, where a soft pion from the decay of the D*-meson to a D0-meson, is found, and the D0-candidates without this tag. Due to the small mass difference between D*-meson and D0-meson the signal purity of the D*-tagged sample is about 7 times higher than in the untagged sample. The gluon polarisation is measured from the event asymmetries for the for the different spin configurations of the COMPASS target. To improve the statistical precision of the final results, the events in the final sample are weighted. This method results in an average value of the gluon polarisation in the x-range covered by the data. For the COMPASS data from 2002-2004, the resulting value of the gluon polarisation is $=-0.47+-0.44 (stat)+-0.15(syst.)$. The result is statistically compatible with the existing measurements of $$ in the high-pT channel. Compared to these, the open charm measurement has the advantage of a considerably smaller model dependence.

Magnetische Wechselwirkung Spin-Austauschgekoppelter Systeme mit Nitroxid und Nitronyl-Nitroxid Radikalen

Bei der Untersuchung molekularer magnetischer Materialien spielen Metall-Radikal Verbindungen eine bedeutende Rolle. Ein Forschungsschwerpunkt stützt sich auf die Familie der Nitronyl-Nitroxid (NIT) Radikale, die sich durch eine hohe chemische Stabilität auszeichnen. Im sogenannten „Metall-Radikal Ansatz“ wurden die starken Austauschwechselwirkungen zwischen stabilen Radikalen und Übergangsmetallionen in mehrdimensionalen Netzwerken ausgiebig untersucht. Um diese Netzwerke mit NIT Radikalen aufzubauen, müssen zusätzliche funktionelle Gruppen, mit einem Abstand zur spintragenden Einheit, in das Molekül eingebaut werden. Dies kann zu einer zusätzlichen schwachen Spinaustauschwechselwirkung führen. Um diese Wechselwirkung zwischen Metalldimeren mit einem einzelnen Benzoat annalogen NIT-Radikal zu untersuchen, wurden dimere Mangan(II), Kobalt(II) und Zink(II) Komplexe mit dem Chelatliganden N,N,N',N'-Tetrakis(2-benzimid-azolylalkyl)-2-hydroxy-1,3-diamino-propan synthetisiert und zusätzlich über eine periphere Carboxylat Gruppe eines NIT Radikals verbrückt.rnDie Messungen der magnetischen Suszeptibilität weisen auf eine dominante antiferromagnetische Wechselwirkung in der Metall-Radikal Verbindung hin, bei der es sich um die Spin-Austauschwechselwirkung innerhalb des Metalldimers handelt. Durch den Vergleich mit analogen Nitrobenzoat- verbrückten Mangan(II) und Kobalt(II) Verbindungen konnte gezeigt werden, dass keine Metall-Radikal Wechselwirkung beobachtet wird, obwohl eine Wechselwirkung der pi*-orbitale mit den delokalisierten pi-System des Phenylrings durch Spin-Polarisation grundsätzlich möglich ist. Auch ESR - Messungen bestätigen dies, da der Spingrundzustand das anisotrope Signal des freien NIT Radikals aufweist. Das Radikal verhält sich somit wie ein isoliertes S=1/2 Spin-Zentrum, was zusätzlich durch DFT-Rechnungen bekräftigt werden konnte. Zusammenfassend führt also die Koordination eines NIT-Benzoats an ein antiferromagnetisch gekoppeltes Metalldimer nur zur Anhebung des Spingrundzustandes und hat keinen signifikanten Effekt auf die Austauschwechselwirkung. Um trotzdem eine Metall-Radikal Wechselwirkung beobachten zu können, ist es notwendig Koordinationsverbindungen zu synthetisieren in denen hohe Spingrundzustände besetzt werden. Dies trifft auf das analoge Kupferdimer zu, wofür eine ferromagnetische Wechselwirkung zu beobachten ist.rnNach den Regeln der Spin-Polarisation müsste die Verkürzung des Austauschpfades um eine Bindung zu einer Umkehrung des Vorzeichens der magnetischen Wechselwirkung führen. Diese Verkürzung kann man durch die Verwendung des alternativen stabilen NOA-Radikals (tert-Butyl Nitroxid) erreichen. Sowohl das NIT als auch das NOA-Radikal werden an ein Kupfer(II)-dimer koordiniert, das durch die Verwendung des oben erwähnten N6O-Liganden gebildet wurde. In der Modellverbindung, ohne einen paramagnetischen Substituenten am Benzoat, zeigen die Kupferionen eine ferromagnetische Wechselwirkung mit einem Triplett Grundzustand, dessen Existenz durch die Messung der magnetischen Suszeptibilität und ESR-Spektroskopie belegt werden kann. Aufgrund der nahezu identischen Koordinationsumgebung bleibt bei allen synthetisierten Verbindungen die Kupfer-Kupfer Wechselwirkung dabei gleich. Die Daten von ESR und magnetischen Messungen zeigen weiterhin auf eine signifikante zusätzliche Metall-Radikal Wechselwirkung hin. Bei der NIT-Verbindung ist diese Austauschwechselwirkung schwach antiferromagnetisch, während die NOA-Verbindung eine schwache ferromagnetische Kopplung aufzeigt. Diese Resultate können durch DFT Rechnungen bekräftigt werden. Der Vorzeichenwechsel des Kopplungsparameters kann durch die Verkürzung des Austauschpfades vom NIT zum NOA-Benzoat um eine Bindung erklärt werden. Durch die Wahl von geeigneten Radikal- Liganden und Metallionen, zeigt sich die Möglichkeit, Systeme zu erzeugen, in denen die Radikal-Metall Wechselwirkung auch über größere Distanzen den Spin-Grundzustand des gesamten Systems signifikant beeinflussen kann. die Anwendung dieses Konzeptes auf Metall-Radikal Cluster System sollte Von großem Interesse sein.rn

Imaging spin-filter efficiency of W(001) and Ir(001) single crystals

Während der letzten Jahre wurde für Spinfilter-Detektoren ein wesentlicher Schritt in Richtung stark erhöhter Effizienz vollzogen. Das ist eine wichtige Voraussetzung für spinaufgelöste Messungen mit Hilfe von modernen Elektronensp ektrometern und Impulsmikroskopen. In dieser Doktorarbeit wurden bisherige Arbeiten der parallel abbildenden Technik weiterentwickelt, die darauf beruht, dass ein elektronenoptisches Bild unter Ausnutzung der k-parallel Erhaltung in der Niedrigenergie-Elektronenbeugung auch nach einer Reflektion an einer kristallinen Oberfläche erhalten bleibt. Frühere Messungen basierend auf der spekularen Reflexion an einerrnW(001) Oberfläche [Kolbe et al., 2011; Tusche et al., 2011] wurden auf einenrnviel größeren Parameterbereich erweitert und mit Ir(001) wurde ein neues System untersucht, welches eine sehr viel längere Lebensdauer der gereinigten Kristalloberfläche im UHV aufweist. Die Streuenergie- und Einfallswinkel-“Landschaft” der Spinempfindlichkeit S und der Reflektivität I/I0 von gestreuten Elektronen wurde im Bereich von 13.7 - 36.7 eV Streuenergie und 30◦ - 60◦ Streuwinkel gemessen. Die dazu neu aufgebaute Messanordnung umfasst eine spinpolarisierte GaAs Elektronenquellernund einen drehbaren Elektronendetektor (Delayline Detektor) zur ortsauflösenden Detektion der gestreuten Elektronen. Die Ergebnisse zeigen mehrere Regionen mit hoher Asymmetrie und großem Gütefaktor (figure of merit FoM), definiert als S2 · I/I0. Diese Regionen eröffnen einen Weg für eine deutliche Verbesserung der Vielkanal-Spinfiltertechnik für die Elektronenspektroskopie und Impulsmikroskopie. Im praktischen Einsatz erwies sich die Ir(001)-Einkristalloberfläche in Bezug auf längere Lebensdauer im UHV (ca. 1 Messtag), verbunden mit hoher FOM als sehr vielversprechend. Der Ir(001)-Detektor wurde in Verbindung mit einem Halbkugelanalysator bei einem zeitaufgelösten Experiment im Femtosekunden-Bereich am Freie-Elektronen-Laser FLASH bei DESY eingesetzt. Als gute Arbeitspunkte erwiesen sich 45◦ Streuwinkel und 39 eV Streuenergie, mit einer nutzbaren Energiebreite von 5 eV, sowie 10 eV Streuenergie mit einem schmaleren Profil von < 1 eV aber etwa 10× größerer Gütefunktion. Die Spinasymmetrie erreicht Werte bis 70 %, was den Einfluss von apparativen Asymmetrien deutlich reduziert. Die resultierende Messungen und Energie-Winkel-Landschaft zeigt recht gute Übereinstimmung mit der Theorie (relativistic layer-KKR SPLEED code [Braun et al., 2013; Feder et al.,rn2012])

Origin of the spin Seebeck effect

Der Spin Seebeck Effekt repräsentiert einen neuartigen Spin kalorischen Effekt mit vorteilhaften und aussichtsreichen Eigenschaften für Anwendungen in den Gebieten der Spintronik und Thermoelektrik.rnIn dieser Arbeit präsentieren wir eine umfangreiche Untersuchung des Spin Seebeck Effekts in isolierenden, magnetischen Granaten und geben Antworten zum kontrovers diskutierten Ursprung des Effekts. Um dieses Ziel zu erreichen, haben wir die Abhängigkeit des Spin Seebeck Effekts von der Dicke des Ferromagneten, der Temperatur, der Stärke des magnetisches Feldes, der Grenzflächen und des Detektormaterials, sowie Kombinationen dieser Parameter gemessen. Im Zuge dessen haben wir das Wachstum der untersuchten magnetischen Granate optimiert und eine umfassende Analyse der strukturellen und magnetischen Parameter durchgeführt, um Einflüsse der Probenqualität auszuschließen. Des Weiteren zeigte eine Untersuchung des magnetoresistiven Effekts, welcher als mögliche Ursache des Effekts galt, in Kombination mit einer Studie des Messaufbaus, dass parasitäre Einflüsse auf das Messergebnis ausgeschlossen werden können. Unsere Ergebnisse zeigen, dass der Spin Seebeck Effekt mit zunehmender Dicke des Ferromagneten eine Sättigung des Signals aufweist. Diese hängt zudem von der Temperatur ab, da mit abnehmender Temperatur die Sättigung erst bei dickeren Filmen auftritt. Außerdem fanden unsere Messungen ein Maximum des Spin Seebeck Effekts für Temperaturen unterhalb der Raumtemperatur, welcher sowohl von der Dicke des Materials als auch der Magnetfeldstärke und dem Detektormaterial beeinflusst wird. In Messungen bei hohen magnetischen Feldstärken beobachteten wir eine Unterdrückung des Messsignals, dessen Ursache mithilfe von Simulationen auf den magnonischen Ursprung des Spin Seebeck Effekts zurückgeführt werden kann. Dies unterstreicht, dass der Effekt auf vom Ferromagneten emittierten Magnonen basiert. Im letzten Abschnitt dieser Arbeit präsentieren wir Messungen in einem bislang nicht untersuchten ferrimagnetischen Material, welche zwei Vorzeichenwechsel des Spin Seebeck Effekts als Funktion der Temperatur aufzeigen. Dieses bisher unbekannte Signalverhalten betont, dass der Effekt aus einem komplexen Zusammenspiel der magnonischen Moden resultiert und zusätzlich vom Detektormaterial abhängt.rnSomit tragen unsere Ergebnisse und Beobachtungen im hohen Maße zur Beantwortung der Frage nach dem Ursprungs des Spin Seebeck Effekts bei und zeigen neuartige bisher nicht beobachtete Effekte, welche ein neues Kapitel für das Gebiet der Spin Kaloritronik eröffnen.

Charge and spin transport in nanoscale junction from first principles

Recently nanoscale junctions consisting of 0-D nanostructures (single molecule) or 1-D nanostructures (semiconducting nanowire) sandwiched between two metal electrodes are successfully fabricated and characterized. What lacks in the recent developments is the understanding of the mechanism behind the observed phenomena at the level of atoms and electrons. For example, the origin of observed switching effect in a semiconducting nanowire due to the influence of an external gate bias is not yet understood at the electronic structure level. On the same context, different experimental groups have reported different signs in tunneling magneto-resistance for the same organic spin valve structure, which has baffled researchers working in this field. In this thesis, we present the answers to some of these subtle questions by investigating the charge and spin transport in different nanoscale junctions. A parameter-free, single particle Green’s function approach in conjunction with a posteriori density functional theory (DFT) involving a hybrid orbital dependent functional is used to calculate the tunneling current in the coherent transport limit. The effect of spin polarization is explicitly incorporated to investigate spin transport in a nanoscale junction. Through the electron transport studies in PbS nanowire junction, a new orbital controlled mechanism behind the switching of the current is proposed. It can explain the switching behavior, not only in PbS nanowire, but in other lead-chalcogenide nanowires as well. Beside this, the electronic structure properties of this nanowire are studied using periodic DFT. The quantum confinement effect was investigated by calculating the bandgap of PbS nanowires with different diameters. Subsequently, we explain an observed semiconducting to metallic phase transition of this nanowire by calculating the bandgap of the nanowire under uniform radial strain. The compressive radial strain on the nanowire was found to be responsible for the metallic to semiconducting phase transition. Apart from studying one dimensional nanostructure, we also present transport properties in zero dimensional single molecular junctions. We proposed a new codoping approach in a single molecular carborane junction, where a cation and an anion are simultaneously doped to find the role of a single atom in the device. The main purpose was to build a molecular junction where a single atom can dictate the flow of electrons in a circuit. Recent observations of both positive and negative sign in tunneling magnetoresistance (TMR) the using same organic spin-valve structure hasmystified researchers. From our spin dependent transport studies in a prototypical organic molecular tunneling device, we found that a 3% change in metal-molecule interfacial distance can alter the sign of TMR. Changing the interfacial distance by 3%, the number of participating eigenstates as well as their orbital characteristic changes for anti-parallel configuration of the magnetization at the two electrodes, leading to the sign reversal of the TMR. Apart from this, the magnetic proximity effect under applied bias is investigated quantitatively, which can be used to understand the observed unexpectedmagnetismin carbon basedmaterials when they are in close proximity with magnetic substrates.

Spin-strain coupling in a 3-D transition metal oxides

ab-initio Hartree Fock (HF), density functional theory (DFT) and hybrid potentials were employed to compute the optimized lattice parameters and elastic properties of perovskite 3-d transition metal oxides. The optimized lattice parameters and elastic properties are interdependent in these materials. An interaction is observed between the electronic charge, spin and lattice degrees of freedom in 3-d transition metal oxides. The coupling between the electronic charge, spin and lattice structures originates due to localization of d-atomic orbitals. The coupling between the electronic charge, spin and crystalline lattice also contributes in the ferroelectric and ferromagnetic properties in perovskites. The cubic and tetragonal crystalline structures of perovskite transition metal oxides of ABO3 are studied. The electronic structure and the physics of 3-d perovskite materials is complex and less well considered. Moreover, the novelty of the electronic structure and properties of these perovskites transition metal oxides exceeds the challenge offered by their complex crystalline structures. To achieve the objective of understanding the structure and property relationship of these materials the first-principle computational method is employed. CRYSTAL09 code is employed for computing crystalline structure, elastic, ferromagnetic and other electronic properties. Second-order elastic constants (SOEC) and bulk moduli (B) are computed in an automated process by employing ELASTCON (elastic constants) and EOS (equation of state) programs in CRYSTAL09 code. ELASTCON, EOS and other computational algorithms are utilized to determine the elastic properties of tetragonal BaTiO3, rutile TiO2, cubic and tetragonal BaFeO3 and the ferromagentic properties of 3-d transition metal oxides. Multiple methods are employed to crosscheck the consistency of our computational results. Computational results have motivated us to explore the ferromagnetic properties of 3-d transition metal oxides. Billyscript and CRYSTAL09 code are employed to compute the optimized geometry of the cubic and tetragonal crystalline structure of transition metal oxides of Sc to Cu. Cubic crystalline structure is initially chosen to determine the effect of lattice strains on ferromagnetism due to the spin angular momentum of an electron. The 3-d transition metals and their oxides are challenging as the basis functions and potentials are not fully developed to address the complex physics of the transition metals. Moreover, perovskite crystalline structures are extremely challenging with respect to the quality of computations as the latter requires the well established methods. Ferroelectric and ferromagnetic properties of bulk, surfaces and interfaces are explored by employing CRYSTAL09 code. In our computations done on cubic TMOs of Sc-Fe it is observed that there is a coupling between the crystalline structure and FM/AFM spin polarization. Strained crystalline structures of 3-d transition metal oxides are subjected to changes in the electromagnetic and electronic properties. The electronic structure and properties of bulk, composites, surfaces of 3-d transition metal oxides are computed successfully.

Outcome study of real-time MR-guided cervical periradicular injection therapy in an open 1.0 Tesla MRI system

PURPOSE To evaluate the accuracy, safety, and efficacy of cervical nerve root injection therapy using magnetic resonance guidance in an open 1.0 T MRI system. METHODS Between September 2009 and April 2012, a total of 21 patients (9 men, 12 women; mean age 47.1 ± 11.1 years) underwent MR-guided cervical periradicular injection for cervical radicular pain in an open 1.0 T system. An interactive proton density-weighted turbo spin echo (PDw TSE) sequence was used for real-time guidance of the MR-compatible 20-gauge injection needle. Clinical outcome was evaluated on a verbal numeric rating scale (VNRS) before injection therapy (baseline) and at 1 week and 1, 3, and 6 months during follow-up. RESULTS All procedures were technically successful and there were no major complications. The mean preinterventional VNRS score was 7.42 and exhibited a statistically significant decrease (P < 0.001) at all follow-up time points: 3.86 ± 1.53 at 1 week, 3.21 ± 2.19 at 1 month, 2.58 ± 2.54 at 3 months, and 2.76 ± 2.63 at 6 months. At 6 months, 14.3 % of the patients reported complete resolution of radicular pain and 38.1 % each had either significant (4-8 VNRS score points) or mild (1-3 VNRS score points) relief of pain; 9.5 % experienced no pain relief. CONCLUSION Magnetic resonance fluoroscopy-guided periradicular cervical spine injection is an accurate, safe, and efficacious treatment option for patients with cervical radicular pain. The technique may be a promising alternative to fluoroscopy- or CT-guided injections of the cervical spine, especially in young patients and in patients requiring repeat injections.

High-frequency, spin-label EPR of nonaxial lipid ordering and motion in cholesterol-containing membranes

The EPR spectra of spin-labeled lipid chains in fully hydrated bilayer membranes of dimyristoyl phosphatidylcholine containing 40 mol % of cholesterol have been studied in the liquid-ordered phase at a microwave radiation frequency of 94 GHz. At such high field strengths, the spectra should be optimally sensitive to lateral chain ordering that is expected in the formation of in-plane domains. The high-field EPR spectra from random dispersions of the cholesterol-containing membranes display very little axial averaging of the nitroxide g-tensor anisotropy for lipids spin labeled toward the carboxyl end of the sn-2 chain (down to the 8-C atom). For these positions of labeling, anisotropic 14N-hyperfine splittings are resolved in the gzz and gyy regions of the nonaxial EPR spectra. For positions of labeling further down the lipid chain, toward the terminal methyl group, the axial averaging of the spectral features systematically increases and is complete at the 14-C atom position. Concomitantly, the time-averaged 〈Azz〉 element of the 14N-hyperfine tensor decreases, indicating that the axial rotation at the terminal methyl end of the chains arises from correlated torsional motions about the bonds of the chain backbone, the dynamics of which also give rise to a differential line broadening of the 14N-hyperfine manifolds in the gzz region of the spectrum. These results provide an indication of the way in which lateral ordering of lipid chains in membranes is induced by cholesterol.

Human cytomegalovirus US3 impairs transport and maturation of major histocompatibility complex class I heavy chains.

The human cytomegalovirus (HCMV) early glycoprotein products of the US11 and US2 open reading frames cause increased turnover of major histocompatibility complex (MHC) class I heavy chains. Since US2 is homologous to another HCMV gene (US3), we hypothesized that the US3 gene product also may affect MHC class I expression. In cells constitutively expressing the HCMV US3 gene, MHC class I heavy chains formed a stable complex with beta 2-microglobulin. However, maturation of the N-linked glycan of MHC class I heavy chains was impaired in US3+ cells. The glycoprotein product of US3 (gpUS3) occurs mostly in a high-mannose form and coimmunoprecipitates with beta 2-microglobulin associated class I heavy chains. Mature class I molecules were detected at steady state on the surface of US3+ cells, as in control cells. Substantial perinuclear accumulation of heavy chains was observed in US3+ cells. The data suggest that gpUS3 impairs egress of MHC class I heavy chains from the endoplasmic reticulum.

Evidence for nonrandom hydrophobicity structures in protein chains.

The question of whether proteins originate from random sequences of amino acids is addressed. A statistical analysis is performed in terms of blocked and random walk values formed by binary hydrophobic assignments of the amino acids along the protein chains. Theoretical expectations of these variables from random distributions of hydrophobicities are compared with those obtained from functional proteins. The results, which are based upon proteins in the SWISS-PROT data base, convincingly show that the amino acid sequences in proteins differ from what is expected from random sequences in a statistically significant way. By performing Fourier transforms on the random walks, one obtains additional evidence for nonrandomness of the distributions. We have also analyzed results from a synthetic model containing only two amino acid types, hydrophobic and hydrophilic. With reasonable criteria on good folding properties in terms of thermodynamical and kinetic behavior, sequences that fold well are isolated. Performing the same statistical analysis on the sequences that fold well indicates similar deviations from randomness as for the functional proteins. The deviations from randomness can be interpreted as originating from anticorrelations in terms of an Ising spin model for the hydrophobicities. Our results, which differ from some previous investigations using other methods, might have impact on how permissive with respect to sequence specificity protein folding process is-only sequences with nonrandom hydrophobicity distributions fold well. Other distributions give rise to energy landscapes with poor folding properties and hence did not survive the evolution.