Artificial molecular quantum rings under magnetic field influence

The ground states of a few electrons confined in two vertically coupled quantum rings in the presence of an external magnetic field are studied systematically within the current spin-density functional theory. Electron-electron interactions combined with inter-ring tunneling affect the electronic structure and the persistent current. For small values of the external magnetic field, we recover the zero magnetic field molecular quantum ring ground state configurations. Increasing the magnetic field many angular momentum, spin, and isospin transitions are predicted to occur in the ground state. We show that these transitions follow certain rules, which are governed by the parity of the number of electrons, the single-particle picture, Hund's rules, and many-body effects. (C) 2009 American Institute of Physics. [doi:10.1063/1.3223360]

Étude de propriétés physico-chimiques des membranes lipidiques chargées d’acide palmitique/stérol et de stéarylamine/cholestérol

Les stérosomes, des vésicules artificielles composées d’amphiphiles monoalkylés et d’un grand pourcentage de stérols, sont prometteurs dans plusieurs domaines comme les industries pharmaceutiques et alimentaires. Il existe des stérosomes chargés négativement, positivement et neutres. Dans ce mémoire, nous avons approfondi nos connaissances sur les propriétés physico-chimiques des stérosomes chargés : acide palmitique (PA)/stérol et stéarylamine (SA)/cholestérol (Chol). Premièrement, afin de mesurer la diffusion latérale de PA dans les membranes PA/stérol (30/70 mol/mol) par RMN à gradients pulsés, nous avons tenté de former des bicouches liquide-ordonnées (lo) orientées magnétiquement avec ce mélange. En s'inspirant de l’idée que l’ajout de 1,2-dihexanoyl-sn-glycéro-3-phosphocholine (DHPC), un lipide à courtes chaînes, dans le système 1,2-dimyristoyl-sn-glycéro-3-phosphocholine (DMPC) mène à la formation de bicouches orientées, nous avons étudié la formulation PA perdeutéré/acide hexanoïque (HA)/Chol avec une proportion molaire de 25/18/57 à plusieurs températures; aucune formation de bicouches orientées n’a été observée. Ce résultat pourrait être expliqué par la solubilisation partielle de HA en milieu aqueux. Alors, une quantité insuffisante serait insérée dans la bicouche pour induire son orientation. La formulation PA perdeutéré/DHPC/Chol n’a pas conduit, elle non plus, à des bicouches orientées magnétiquement à des températures et concentrations lipidiques variées. En étudiant le mélange DMPC/DHPC/Chol (67/17/14), nous avons remarqué que la présence de Chol inhibait l'orientation magnétique des bicouches. Tandis que le mélange DMPC/DHPC/stigmastérol (SS) avec les proportions molaires 67/19/14 et 72/21/7 conduisait à des bicouches orientées avec leur normale (n) perpendiculaire au champ magnétique à 40 °C et 50 °C. Ces résultats suggèrent que le mélange PA/SS avec une proportion de lipide à courtes chaînes, HA et DHPC, pourrait mener à des bicouches orientées magnétiquement. Le mélange PA/Chol avec un lipide à courtes chaînes pourrait aussi être étudié en présence des lanthanides. Deuxièmement, nous avons examiné la possibilité de moduler la libération de matériel encapsulé dans des liposomes essentiellement composés de PA et d’un stérol. Il est connu que le mélange PA/Chol (30/70) à pH ≥ 7,5 forme des liposomes très peu perméables. Il est avantageux de pouvoir moduler la perméabilité pour avoir un contrôle sur le temps de libération de leur contenu, qui est un paramètre de grande importance pour les formulations liposomales de médicaments. D’abord, il a été montré que l’acide oléique (OA)/Chol (30/70) est capable de former des vésicules, ce qui n’avait jamais été prouvé auparavant. Par contre, les bicouches OA/Chol (30/70) ne sont pas plus perméables que les bicouches PA/Chol (30/70). L’ajout de 1-palmitoyl-2-oléoyl-sn-glycéro-3-phosphatidylcholine (POPC) dans le mélange PA/Chol n’augmente pas plus la perméabilité. En effet, les cinétiques de relargage de calcéine des vésicules PA/POPC/Chol (15/27.5/57.5), POPC/Chol (40/60) et POPC étaient très semblables à celle de PA/Chol (30/70). Il a été remarqué que les études littéraires se contredisent à propos de la perméabilité à la calcéine des bicouches de phosphatidylcholine (PC). L’explication de ces divergences est inconnue pour le moment. En remplaçant la moitié de la proportion molaire de Chol par le cholate de sodium (SC) dans le mélange PA/Chol (30/70), la membrane n’était pas plus apte à libérer son contenu. Il se pourrait que le SC se retrouvant dans la bicouche n’induit pas une diminution d’empilement. Il est aussi possible que le SC ne s'insère pas dans la membrane à cause de son hydrophilie considérable et il pourrait alors former seul des micelles. En remplaçant complètement le Chol par le sulfate de cholestérol (SChol), un stérol chargé négativement, et en préparant les vésicules à un bas pH, la formulation PA/SChol (30/70) mène à une très grande perméabilité à pH 7.5; le relargage est provoqué par un saut de pH. Nos travaux suggèrent qu'il serait possible de moduler la perméabilité des liposomes en les préparant avec le mélange PA/SChol/Chol en variant les proportions entre 30/63/7 à 30/70/0. Le diagramme pH-composition du mélange PA/SChol/Chol indique que ces proportions conduisent, à pH 7.4, à la coexistence de phases solide et lo en différentes proportions, ce qui pourrait moduler la perméabilité membranaire. Troisièmement, les résultats de perméabilité obtenus avec la calcéine et les difficultés survenues lors de l’extrusion des vésicules encapsulant cette sonde nous ont amené à nous demander si la calcéine interagit avec les bicouches chargées. L’impact de certains anions, dont la calcéine, a été examiné sur les bicouches chargées positivement SA/Chol (50/50). La calorimétrie différentielle à balayage (DSC, de l’anglais differential scanning calorimetry), indique qu’il n’y a aucune transition entre 25 et 90 °C pour les liposomes SA/Chol (50/50) à pH = 7.4. L’ajout de chlorure de sodim (375 mM) n’a pas mené à la formation d’agrégats et aucune transition n’a été observée sur le thermogramme. La formation d’agrégats macroscopiques instantanément après l’ajout d’hydrogénophosphate de sodium (125 mM), de sulfate de sodium (125 mM) et de calcéine (3 mM) a été observée. Une transition a été observée sur les thermogrammes en présence de ces sels. Les agrégats observés pourraient être associés à la transition de phase. L’effet des anions sur la température et l’enthalpie de transition suivent le même ordre que la série d’Hofmeister : sulfate > hydrogénophosphate > chlorure (pas de pic). La calcéine avait l’impact le plus prononcé sur l’agrégation; ceci illustre que la calcéine n’est pas une sonde fluorescente inerte avec le mélange SA/Chol. Elle pourrait être un chaotrope volumineux. De plus, les interactions SA-calcéine plus fortes, menant à l’agrégation des vésicules, que les interactions PC-calcéine pourraient s’expliquer par le fait que la SA est chargée positivement.

Étude de propriétés physico-chimiques des membranes lipidiques chargées d’acide palmitique/stérol et de stéarylamine/cholestérol

Les stérosomes, des vésicules artificielles composées d’amphiphiles monoalkylés et d’un grand pourcentage de stérols, sont prometteurs dans plusieurs domaines comme les industries pharmaceutiques et alimentaires. Il existe des stérosomes chargés négativement, positivement et neutres. Dans ce mémoire, nous avons approfondi nos connaissances sur les propriétés physico-chimiques des stérosomes chargés : acide palmitique (PA)/stérol et stéarylamine (SA)/cholestérol (Chol). Premièrement, afin de mesurer la diffusion latérale de PA dans les membranes PA/stérol (30/70 mol/mol) par RMN à gradients pulsés, nous avons tenté de former des bicouches liquide-ordonnées (lo) orientées magnétiquement avec ce mélange. En s'inspirant de l’idée que l’ajout de 1,2-dihexanoyl-sn-glycéro-3-phosphocholine (DHPC), un lipide à courtes chaînes, dans le système 1,2-dimyristoyl-sn-glycéro-3-phosphocholine (DMPC) mène à la formation de bicouches orientées, nous avons étudié la formulation PA perdeutéré/acide hexanoïque (HA)/Chol avec une proportion molaire de 25/18/57 à plusieurs températures; aucune formation de bicouches orientées n’a été observée. Ce résultat pourrait être expliqué par la solubilisation partielle de HA en milieu aqueux. Alors, une quantité insuffisante serait insérée dans la bicouche pour induire son orientation. La formulation PA perdeutéré/DHPC/Chol n’a pas conduit, elle non plus, à des bicouches orientées magnétiquement à des températures et concentrations lipidiques variées. En étudiant le mélange DMPC/DHPC/Chol (67/17/14), nous avons remarqué que la présence de Chol inhibait l'orientation magnétique des bicouches. Tandis que le mélange DMPC/DHPC/stigmastérol (SS) avec les proportions molaires 67/19/14 et 72/21/7 conduisait à des bicouches orientées avec leur normale (n) perpendiculaire au champ magnétique à 40 °C et 50 °C. Ces résultats suggèrent que le mélange PA/SS avec une proportion de lipide à courtes chaînes, HA et DHPC, pourrait mener à des bicouches orientées magnétiquement. Le mélange PA/Chol avec un lipide à courtes chaînes pourrait aussi être étudié en présence des lanthanides. Deuxièmement, nous avons examiné la possibilité de moduler la libération de matériel encapsulé dans des liposomes essentiellement composés de PA et d’un stérol. Il est connu que le mélange PA/Chol (30/70) à pH ≥ 7,5 forme des liposomes très peu perméables. Il est avantageux de pouvoir moduler la perméabilité pour avoir un contrôle sur le temps de libération de leur contenu, qui est un paramètre de grande importance pour les formulations liposomales de médicaments. D’abord, il a été montré que l’acide oléique (OA)/Chol (30/70) est capable de former des vésicules, ce qui n’avait jamais été prouvé auparavant. Par contre, les bicouches OA/Chol (30/70) ne sont pas plus perméables que les bicouches PA/Chol (30/70). L’ajout de 1-palmitoyl-2-oléoyl-sn-glycéro-3-phosphatidylcholine (POPC) dans le mélange PA/Chol n’augmente pas plus la perméabilité. En effet, les cinétiques de relargage de calcéine des vésicules PA/POPC/Chol (15/27.5/57.5), POPC/Chol (40/60) et POPC étaient très semblables à celle de PA/Chol (30/70). Il a été remarqué que les études littéraires se contredisent à propos de la perméabilité à la calcéine des bicouches de phosphatidylcholine (PC). L’explication de ces divergences est inconnue pour le moment. En remplaçant la moitié de la proportion molaire de Chol par le cholate de sodium (SC) dans le mélange PA/Chol (30/70), la membrane n’était pas plus apte à libérer son contenu. Il se pourrait que le SC se retrouvant dans la bicouche n’induit pas une diminution d’empilement. Il est aussi possible que le SC ne s'insère pas dans la membrane à cause de son hydrophilie considérable et il pourrait alors former seul des micelles. En remplaçant complètement le Chol par le sulfate de cholestérol (SChol), un stérol chargé négativement, et en préparant les vésicules à un bas pH, la formulation PA/SChol (30/70) mène à une très grande perméabilité à pH 7.5; le relargage est provoqué par un saut de pH. Nos travaux suggèrent qu'il serait possible de moduler la perméabilité des liposomes en les préparant avec le mélange PA/SChol/Chol en variant les proportions entre 30/63/7 à 30/70/0. Le diagramme pH-composition du mélange PA/SChol/Chol indique que ces proportions conduisent, à pH 7.4, à la coexistence de phases solide et lo en différentes proportions, ce qui pourrait moduler la perméabilité membranaire. Troisièmement, les résultats de perméabilité obtenus avec la calcéine et les difficultés survenues lors de l’extrusion des vésicules encapsulant cette sonde nous ont amené à nous demander si la calcéine interagit avec les bicouches chargées. L’impact de certains anions, dont la calcéine, a été examiné sur les bicouches chargées positivement SA/Chol (50/50). La calorimétrie différentielle à balayage (DSC, de l’anglais differential scanning calorimetry), indique qu’il n’y a aucune transition entre 25 et 90 °C pour les liposomes SA/Chol (50/50) à pH = 7.4. L’ajout de chlorure de sodim (375 mM) n’a pas mené à la formation d’agrégats et aucune transition n’a été observée sur le thermogramme. La formation d’agrégats macroscopiques instantanément après l’ajout d’hydrogénophosphate de sodium (125 mM), de sulfate de sodium (125 mM) et de calcéine (3 mM) a été observée. Une transition a été observée sur les thermogrammes en présence de ces sels. Les agrégats observés pourraient être associés à la transition de phase. L’effet des anions sur la température et l’enthalpie de transition suivent le même ordre que la série d’Hofmeister : sulfate > hydrogénophosphate > chlorure (pas de pic). La calcéine avait l’impact le plus prononcé sur l’agrégation; ceci illustre que la calcéine n’est pas une sonde fluorescente inerte avec le mélange SA/Chol. Elle pourrait être un chaotrope volumineux. De plus, les interactions SA-calcéine plus fortes, menant à l’agrégation des vésicules, que les interactions PC-calcéine pourraient s’expliquer par le fait que la SA est chargée positivement.

Dynamics of orientational fluctuations in a homeotropic Fréedericksz transition under a rotating magnetic field

We study the problem of the Fréedericksz transition under a rotating magnetic field by using a dynamical model which incorporates thermal fluctuations into the whole set of nematodynamic equations. In contrast to other geometries, nonuniform textures in the plane of the sample do not appear favored. The proper consideration of thermal noise enables us to describe the dynamics of orientational fluctuations both below and above the shifted instability.

Classical magnetoresistance of a ballistic electron gas constrained to non-planar topographies in a lattice of antidots under tilted magnetic field

The classical magnetoresistance of a two-dimensional electron gas constrained to non-planar topographies, in antidot lattices, and under the influence of tilted magnetic field in arbitrary direction is numerically studied. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

In vitro cytotoxicity of Selol-loaded magnetic nanocapsules against neoplastic cell lines under AC magnetic field activation

The goals of this study are to evaluate in vitro compatibility of magnetic nanomaterials and their therapeutic potential against cancer cells. Highly stable ionic magnetic fluid sample (maghemite, gamma-Fe2O3) and Selol were incorporated into polymeric nanocapsules by nanoprecipitation method. The cytotoxic effect of Selol-loaded magnetic nanocapsules was assessed on murine melanoma (B16-F10) and oral squamous cell carcinoma (OSCC) cell lines following AC magnetic field application. The influence of different nanocapsules on cell viability was investigated by colorimetric MTT 3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyl tetrazolium bromide assay. In the absence of AC magnetic field Selol-loaded magnetic nanocapsules, containing 100 mu g/mL Selol plus 5 x 10(12) particle/mL, showed antitumoral activity of about 50% on B16-F10 melanoma cells while OSCC carcinoma cells demonstrated drug resistance at all concentrations of Selol and magnetic fluid (range of 100-500 mu g/mL Selol and 5 x 10(12) -2.5 x 10(13) particle/mL). On the other hand, under AC applied fields (1 MHz and 40 Oe amplitude) B16-F10 cell viability was reduced down to 40.5% (+/- 3.33) at the highest concentration of nanoencapsulated Selol. The major effect, however, was observed on OSCC cells since the cell viability drops down to about 33.3% (+/- 0.38) under application of AC magnetic field. These findings clearly indicate that the Selol-loaded magnetic nanocapsules present different toxic effects on neoplastic cell lines. Further, the cytotoxic effect was maximized under AC magnetic field application on OSCC, which emphasizes the effectiveness of the magnetohyperthermia approach. (C) 2012 American Institute of Physics. [doi: 10.1063/1.3680541]

Mechanochemical synthesis of TiO2/NiFe2O4 magnetic catalysts for operation under RF field

Composite NiFe2O4–TiO2 magnetic catalysts were prepared by mechanochemical synthesis from a mixture of titania supported nickel ferrite nanoparticles and P25 titania (Evonic). The former provides fast and efficient heating under radiofrequency field, while the latter serves as an active catalyst or catalyst support. The highest heating rate was observed over a catalyst prepared for a milling time of 30 min. The catalytic activity was measured over the sulfated composite catalysts in the condensation of aniline and 3-phenylbutyric acid in a stirred tank reactor and in a continuous RF heated flow reactor in the 140–170 °C range. The product yield of 47% was obtained over the sulfated P25 titania catalyst in the flow reactor.

Magnetic-field-induced superconductivity in layered organic molecular crystals with localized magnetic moments

The synthetic organic compound λ(BETS)2FeCl4 undergoes successive transitions from an antiferromagnetic insulator to a metal and then to a superconductor as a magnetic field is increased. We use a Hubbard-Kondo model to clarify the role of the Fe3+ magnetic ions in these phase transition. In the high-field regime, the magnetic field acting on the electron spins is compensated by the exchange field He due to the magnetic ions. This suggests that the field-induced superconducting state is the same as the zero-field superconducting state which occurs under pressure or when the Fe3+ ions are replaced by non-magnetic Ga3+ ions. We show how Hc can be extracted from the observed splitting of the Shybnikov-de Haas frequencies. Furthermore, we use this method of extracting He to predict the field range for field-induced superconductivity in other materials. We also show that at high fields the spin fluctuations of the localized spins are not important.

Singularities of the dynamical structure factors of the spin-1/2 XXX chain at finite magnetic field

We study the longitudinal and transverse spin dynamical structure factors of the spin-1/2 XXX chain at finite magnetic field h, focusing in particular on the singularities at excitation energies in the vicinity of the lower thresholds. While the static properties of the model can be studied within a Fermi-liquid like description in terms of pseudoparticles, our derivation of the dynamical properties relies on the introduction of a form of the ‘pseudofermion dynamical theory’ (PDT) of the 1D Hubbard model suitably modified for the spin-only XXX chain and other models with two pseudoparticle Fermi points. Specifically, we derive the exact momentum and spin-density dependences of the exponents ζτ(k) controlling the singularities for both the longitudinal  and transverse (τ = t) dynamical structure factors for the whole momentum range  , in the thermodynamic limit. This requires the numerical solution of the integral equations that define the phase shifts in these exponents expressions. We discuss the relation to neutron scattering and suggest new experiments on spin-chain compounds using a carefully oriented crystal to test our predictions.

Ground-state self-consistent calculation of quantum dots under magnetic fields: Addition spectrum

A density-functional self-consistent calculation of the ground-state electronic density of quantum dots under an arbitrary magnetic field is performed. We consider a parabolic lateral confining potential. The addition energy, E(N+1)-E(N), where N is the number of electrons, is compared with experimental data and the different contributions to the energy are analyzed. The Hamiltonian is modeled by a density functional, which includes the exchange and correlation interactions and the local formation of Landau levels for different equilibrium spin populations. We obtain an analytical expression for the critical density under which spontaneous polarization, induced by the exchange interaction, takes place.

Temperature and magnetic-field dependence of the elastic constants of Ni-Mn-Al magnetic Heusler alloy

We report on measurements of the adiabatic second-order elastic constants of the off-stoichiometric Ni54Mn23Al23 single-crystalline Heusler alloy. The variation in the temperature dependence of the elastic constants has been investigated across the magnetic transition and over a broad temperature range. Anomalies in the temperature behavior of the elastic constants have been found in the vicinity of the magnetic phase transition. Measurements under applied magnetic field, both isothermal and variable temperature, show that the value of the elastic constants depends on magnetic order, thus giving evidence for magnetoelastic coupling in this alloy system.

A high-sensitivity differential scanning calorimeter with magnetic field for magnetostructural transitions

We have developed a differential scanning calorimeter capable of working under applied magnetic fields of up to 5 T. The calorimeter is highly sensitive and operates over the temperature range 10¿300 K. It is shown that, after a proper calibration, the system enables determination of the latent heat and entropy changes in first-order solid¿solid phase transitions. The system is particularly useful for investigating materials that exhibit the giant magnetocaloric effect arising from a magnetostructural phase transition. Data for Gd5(Si0.1Ge0.9)4 are presented.

Effect of a transverse magnetic field on resonant magnetization tunneling in high-spin molecules

The recent observation of steps at regular intervals of magnetic field in the hysteresis loops of oriented crystals of the spin-10 molecular magnet Mn12O12(CH3COO)16(H2O)4 has been attributed to resonant tunneling between spin states. Here, we investigate the effect on the relaxation rate of applying the magnetic field at an angle with respect to the easy axis of magnetization. We find that the position of the resonances is independent of the transverse component of the field, and is determined solely by the longitudinal component. On the other hand, a transverse field significantly increases the relaxation rate, both on and off resonance. We discuss classical and quantum mechanical interpretations of this effect

Magnetic field scaling of relaxation curves in small particle systems

We study the effects of the magnetic field on the relaxation of the magnetization of smallmonodomain noninteracting particles with random orientations and distribution of anisotropyconstants. Starting from a master equation, we build up an expression for the time dependence of themagnetization which takes into account thermal activation only over barriers separating energyminima, which, in our model, can be computed exactly from analytical expressions. Numericalcalculations of the relaxation curves for different distribution widths, and under different magneticfields H and temperatures T, have been performed. We show how a T ln(t/t0) scaling of the curves,at different T and for a given H, can be carried out after proper normalization of the data to theequilibrium magnetization. The resulting master curves are shown to be closely related to what wecall effective energy barrier distributions, which, in our model, can be computed exactly fromanalytical expressions. The concept of effective distribution serves us as a basis for finding a scalingvariable to scale relaxation curves at different H and a given T, thus showing that the fielddependence of energy barriers can be also extracted from relaxation measurements.

A high-sensitivity differential scanning calorimeter with magnetic field for magnetostructural transitions

We have developed a differential scanning calorimeter capable of working under applied magnetic fields of up to 5 T. The calorimeter is highly sensitive and operates over the temperature range 10¿300 K. It is shown that, after a proper calibration, the system enables determination of the latent heat and entropy changes in first-order solid¿solid phase transitions. The system is particularly useful for investigating materials that exhibit the giant magnetocaloric effect arising from a magnetostructural phase transition. Data for Gd5(Si0.1Ge0.9)4 are presented.