Spatially-resolved eigenmode decomposition of red blood cells membrane fluctuations questions the role of ATP in flickering.

Red blood cells (RBCs) present unique reversible shape deformability, essential for both function and survival, resulting notably in cell membrane fluctuations (CMF). These CMF have been subject of many studies in order to obtain a better understanding of these remarkable biomechanical membrane properties altered in some pathological states including blood diseases. In particular the discussion over the thermal or metabolic origin of the CMF has led in the past to a large number of investigations and modeling. However, the origin of the CMF is still debated. In this article, we present an analysis of the CMF of RBCs by combining digital holographic microscopy (DHM) with an orthogonal subspace decomposition of the imaging data. These subspace components can be reliably identified and quantified as the eigenmode basis of CMF that minimizes the deformation energy of the RBC structure. By fitting the observed fluctuation modes with a theoretical dynamic model, we find that the CMF are mainly governed by the bending elasticity of the membrane and that shear and tension elasticities have only a marginal influence on the membrane fluctations of the discocyte RBC. Further, our experiments show that the role of ATP as a driving force of CMF is questionable. ATP, however, seems to be required to maintain the unique biomechanical properties of the RBC membrane that lead to thermally excited CMF.

Alfven eigenmode properties and dynamics in the TJ-II stellarator

Alfven eigenmodes (AEs) were studied in neutral beam injection (NBI) heated plasmas in the TJ-II stellarator using a heavy ion beam probe (HIBP) in the core, and by Langmuir (LP) and Mirnov probes (MP) at the edge. AEs were detected over the whole plasma radius by the HIBP with a spatial resolution of about 1 cm. AE-induced oscillations were detected in the plasma density n(e), electric potential phi and poloidal magnetic field B-pol with frequencies 50 kHz < f(AE) < 300 kHz. The LP, MP and HIBP data showed a high level of coherency for specific branches of AEs. Poloidal mode wave-vectors k(theta), mode numbers m (m < 8) and propagation velocities V-theta similar to 30 km s(-1) were detected for various branches of AEs, having different radial locations. When the density rose due to NBI fuelling, the AE frequency decreased as predicted by the Alfven law f(AE) similar to n(e)(-1/2). During the AE frequency decay the following new AE features were observed: (i) the poloidal wave-vector k(theta) and mode number m remained constant, (ii) the cross-phases between the oscillations in B-pol, n(e) and electric potential remained constant, having an individual value for each AE branch, (iii) V-theta decreased proportional to the AE frequency. The interaction of the AEs with the bulk (thermal) plasma resulted in clearly pronounced quasi-coherent peaks in the electrostatic turbulent particle flux spectra. Various AE branches exhibited different contributions to the particle flux: outward, inward and also zero, depending on the phase relations between the oscillations in E-pol and n(e), which are specific for each branch. A comparison with MHD mode modelling indicated that some of the more prominent frequency branches can be identified as radially extended helical AEs.

Constructing eigenmode excitation spectrum in synthetic photonic lattices using optical heterodyning

A method based on optical heterodyning is proposed for measuring relative optical phases of pulses circulating in a synthetic photonic lattices. The knowledge of the phases can be further used for qualitative reconstruction of an eigenmode excitation spectrum in the synthetic photonic lattice.

Kinetic effect on low frequency Alfven continuum in tokamaks

Using a quasi-toroidal set of coordinates in plasmas with coaxial circular magnetic surfaces, the Vlasov equation is solved, and dielectric tensor is found for large aspect ratio tokamaks in a low frequency band. Taking into account the q-profile and drift effects, Alfven wave continuum deformation by geodesic effects is analyzed. It is shown that the Alfven continuum has a minimum defined by the ion thermal velocity at the rational magnetic surfaces q(s)=-M/N, where M and N are the poloidal and toroidal mode numbers, respectively, and the parallel wave number is zero. Low frequency global Alfven waves are found below the continuum minimum. In hot ion plasmas, the geodesic term changes sign, provoking some deformation of Alfven velocity by a factor (1+q(2))(-1/2), and the continuum minimum disappears. (C) 2008 American Institute of Physics.

Hidden vorticity in binary Bose-Einstein condensates

We consider a binary Bose-Einstein condensate (BEC) described by a system of two-dimensional (2D) Gross-Pitaevskii equations with the harmonic-oscillator trapping potential. The intraspecies interactions are attractive, while the interaction between the species may have either sign. The same model applies to the copropagation of bimodal beams in photonic-crystal fibers. We consider a family of trapped hidden-vorticity (HV) modes in the form of bound states of two components with opposite vorticities S(1,2) = +/- 1, the total angular momentum being zero. A challenging problem is the stability of the HV modes. By means of a linear-stability analysis and direct simulations, stability domains are identified in a relevant parameter plane. In direct simulations, stable HV modes feature robustness against large perturbations, while unstable ones split into fragments whose number is identical to the azimuthal index of the fastest growing perturbation eigenmode. Conditions allowing for the creation of the HV modes in the experiment are discussed too. For comparison, a similar but simpler problem is studied in an analytical form, viz., the modulational instability of an HV state in a one-dimensional (1D) system with periodic boundary conditions (this system models a counterflow in a binary BEC mixture loaded into a toroidal trap or a bimodal optical beam coupled into a cylindrical shell). We demonstrate that the stabilization of the 1D HV modes is impossible, which stresses the significance of the stabilization of the HV modes in the 2D setting.

Dynamic Design of Piezoelectric Laminated Sensors and Actuators using Topology Optimization

Sensors and actuators based on piezoelectric plates have shown increasing demand in the field of smart structures, including the development of actuators for cooling and fluid-pumping applications and transducers for novel energy-harvesting devices. This project involves the development of a topology optimization formulation for dynamic design of piezoelectric laminated plates aiming at piezoelectric sensors, actuators and energy-harvesting applications. It distributes piezoelectric material over a metallic plate in order to achieve a desired dynamic behavior with specified resonance frequencies, modes, and enhanced electromechanical coupling factor (EMCC). The finite element employs a piezoelectric plate based on the MITC formulation, which is reliable, efficient and avoids the shear locking problem. The topology optimization formulation is based on the PEMAP-P model combined with the RAMP model, where the design variables are the pseudo-densities that describe the amount of piezoelectric material at each finite element and its polarization sign. The design problem formulated aims at designing simultaneously an eigenshape, i.e., maximizing and minimizing vibration amplitudes at certain points of the structure in a given eigenmode, while tuning the eigenvalue to a desired value and also maximizing its EMCC, so that the energy conversion is maximized for that mode. The optimization problem is solved by using sequential linear programming. Through this formulation, a design with enhancing energy conversion in the low-frequency spectrum is obtained, by minimizing a set of first eigenvalues, enhancing their corresponding eigenshapes while maximizing their EMCCs, which can be considered an approach to the design of energy-harvesting devices. The implementation of the topology optimization algorithm and some results are presented to illustrate the method.

Intrinsic subspace convergence in TDD MIMO communication

In numerical linear algebra, students encounter earlythe iterative power method, which finds eigenvectors of a matrixfrom an arbitrary starting point through repeated normalizationand multiplications by the matrix itself. In practice, more sophisticatedmethods are used nowadays, threatening to make the powermethod a historical and pedagogic footnote. However, in the contextof communication over a time-division duplex (TDD) multipleinputmultiple-output (MIMO) channel, the power method takes aspecial position. It can be viewed as an intrinsic part of the uplinkand downlink communication switching, enabling estimationof the eigenmodes of the channel without extra overhead. Generalizingthe method to vector subspaces, communication in thesubspaces with the best receive and transmit signal-to-noise ratio(SNR) is made possible. In exploring this intrinsic subspace convergence(ISC), we show that several published and new schemes canbe cast into a common framework where all members benefit fromthe ISC.

Excitation of Phonons in Solids and Nanostructures by Intense Laser and XUV Pulses and by Low Energy Atomic Collision

Intensive, ultrakurze Laserpulse regen Festkörper in einen Zustand an, in dem die Elektronen hohe Temperaturen erlangen, während das Gitter kalt bleibt. Die heißen Elektronen beeinflussen das sog. Laser-angeregte interatomare Potential bzw. die Potentialenergiefläche, auf der die Ionen sich bewegen. Dieses kann neben anderen ultrakurzen Prozessen zu Änderungen der Phononfrequenzen (phonon softening oder phonon hardening) führen. Viele ultrakurze strukturelle Phänomene in Festkörpern hängen bei hohen Laseranregungen von Änderungen der Phononfrequenzen bei niedrigeren Anregungen ab. Um die Laser-bedingten Änderungen des Phononenspektrums von Festkörpern beschreiben zu können, haben wir ein auf Temperatur-abhängiger Dichtefunktionaltheorie basierendes Verfahren entwickelt. Die dramatischen Änderungen nach einer Laseranregung in der Potentialenergiefläche werden durch die starke Veränderung der Zustandsdichte und der Besetzungen der Elektronen hervorgerufen. Diese Änderungen in der Zustandsdichte und den Besetzungszahlen können wir mit unserer Methode berechnen, um dann damit das Verhalten der Phononen nach einer Laseranregung zu analysieren. Auf diese Art und Weise studierten wir den Einfluss einer Anregung mit einem intensiven, ultrakurzen Laserpuls auf repräsentative Phonon Eigenmoden in Magnesium, Kupfer und Aluminium. Wir stellten dabei in manchen Gitterschwingungen entweder eine Abnahme (softening) und in anderen eine Zunahme (hardening) der Eigenfrequenz fest. Manche Moden zeigten bei Variation der Laseranregungsstärke sogar beide Verhaltensweisen. Das eine Phonon-Eigenmode ein hardening und softening zeigen kann, wird durch das Vorhandensein von van Hove Singularitäten in der elektronischen Zustandsdichte des betrachteten Materials erklärt. Für diesen Fall stellt unser Verfahren zusammen mit der Sommerfeld-Entwicklung die Eigenschaften der Festkörper Vibrationen in Verbindung mit den Laser induzierten Veränderungen in den elektronischen Besetzungen für verschiedene Phonon-eingefrorene Atomkonfigurationen. Auch die absolute Größe des softening und hardening wurde berechnet. Wir nehmen an, dass unsere Theorie Licht in die Effekte der Laseranregung von verschiedenen Materialien bringt. Außerdem studierten wir mit Hilfe von Dichtefunktionaltheorie die strukturellen Material-Eigenschaften, die durch kurze XUV Pulse induziert werden. Warme dichte Materie in Ultrakurzpuls angeregten Magnesium wurde analysiert und verglichen mit den Ergebnissen bei durch Laser Anregung bedingten Änderungen. Unter Verwendung von elektronischer-Temperatur-abhängiger Dichtefunktionaltheorie wurden die Änderungen in den Bindungseigenschaften von warmen dichten Magnesium studiert. Wir stellten dabei beide Effekte, Verstärkung und Abschwächung von Bindungen, bei jeweils verschiedenen Phonon Eigenmoden von Magnesium auf Grund von der Erzeugung von Rumpflöchern und dem Vorhandensein von heißen Elektronen fest. Die zusätzliche Erzeugung von heißen Elektronen führt zu einer Änderung der Bindungscharakteristik, die der Änderung, die durch die bereits vorhandenen Rumpflöcher hervorgerufen wurde, entgegen wirkt. Die thermischen Eigenschaften von Nanostrukturen sind teilweise sehr wichtig für elektronische Bauteile. Wir studierten hier ebenfalls den Effekt einer einzelnen Graphen Lage auf Kupfer. Dazu untersuchten wir mit Dichtefunktionaltheorie die strukturellen- und Schwingungseigenschaften von Graphen auf einem Kupfer Substrat. Wir zeigen, dass die schwache Wechselwirkung zwischen Graphen und Kupfer die Frequenz der aus der Ebene gerichteten akustischen Phonon Eigenmode anhebt und die Entartung zwischen den aus der Ebene gerichteten akustischen und optischen Phononen im K-Punkt des Graphen Spektrums aufhebt. Zusätzlich führten wir ab initio Berechnungen zur inelastischen Streuung eines Helium Atoms mit Graphen auf einem Kuper(111) Substrat durch. Wir berechneten dazu das Leistungsspektrum, das uns eine Idee über die verschiedenen Gitterschwingungen des Graphene-Kuper(111) Systems gibt, die durch die Kollision des Helium Atom angeregt werden. Wir brachten die Positionen der Peaks im Leistungsspektrum mit den Phonon Eigenfrequenzen, die wir aus den statischen Rechnungen erhalten haben, in Beziehung. Unsere Ergebnisse werden auch verglichen mit den Ergebnissen experimenteller Daten zur Helium Streuung an Graphen-Kupfer(111) Oberflächen.

Exact solution for a fermion in the background of a scalar inversely linear potential

The problem of a fermion subject to a general scalar potential in a two-dimensional world is mapped into a Sturm-Liouville problem for nonzero eigenenergies. The searching for possible bounded solutions is done in the circumstance of power-law potentials. The normalizable zero-eigenmode solutions are also searched. For the specific case of an inversely linear potential, which gives rise to an effective Kratzer potential, exact bounded solutions are found in closed form. The behaviour of the upper and lower components of the Dirac spinor is discussed in detail and some unusual results are revealed. (C) 2004 Elsevier B.V. All rights reserved.

Effects of a mixed vector-scalar screened coulomb potential for spinless particles

The problem of a spinless particle subject to a general mixing of vector and scalar screened Coulomb potentials in a two-dimensional world is analyzed and its bounded solutions are found. Some unusual results, including the existence of a bona fide solitary zero-eigenmode solution, are revealed for the Klein-Gordon equation. The cases of pure vector and scalar potentials, already analyzed in previous works, are obtained as particular cases.

A fermion in a scalar inversely linear potential

The problem of a fermion subject to a a scalar inversely linear potential in a two-dimensional world is mapped into a Sturm-Liouville problem for nonzero eigenenergies. This mapping gives rise to an effective Kratzer potential and exact bounded solutions are found in closed form. The normalizable zero-eigenmode solution is also found. A few unusual results are revealed.

Writing saturated holograms in LiNbO3 crystals through phase control and double diffraction

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Vector Mode Analysis of Ring-Core Fibers: Design Tools for Spatial Division Multiplexing

Design tools have existed for decades for standard step-index fibers, with analytical expressions for cutoff conditions as a function of core size, refractive indexes, and wavelength. We present analytical expressions for cutoff conditions for fibers with a ring-shaped propagation region. We validate our analytical expressions against numerical solutions, as well as via asymptotic analysis yielding the existing solutions for standard step-index fiber. We demonstrate the utility of our solutions for optimizing fibers supporting specific eigenmode behaviors of interest for spatial division multiplexing. In particular, we address large mode separation for orbital angular momentum modes and fibers supporting only modes with a single intensity ring.

Individual plasmonic nanogaps : controlled assembly and detailed investigation

Diese Arbeit befasst sich mit den optischen Resonanzen metallischer Nanopartikel im Abstand weniger Nanometer von einer metallischen Grenzfläche. Die elektromagnetische Wechselwirkung dieser „Kugel-vor-Fläche“ Geometrie ruft interessante optische Phänomene hervor. Sie erzeugt eine spezielle elektromagnetische Eigenmode, auch Spaltmode genannt, die im Wesentlichen auf den Nanospalt zwi-schen Kugel und Oberfläche lokalisiert ist. In der quasistatischen Näherung hängt die Resonanzposition nur vom Material, der Umgebung, dem Film-Kugel Abstand und dem Kugelradius selbst ab. Theoretische Berechnungen sagen für diese Region unter Resonanzbedingungen eine große Verstärkung des elektro-magnetischen Feldes voraus. rnUm die optischen Eigenschaften dieser Systeme zu untersuchen, wurde ein effizienter plasmonenver-mittelnder Dunkelfeldmodus für die konfokale Rastermikroskopie durch dünne Metallfilme entwickelt, der die Verstärkung durch Oberflächenplasmonen sowohl im Anregungs- als auch Emissionsprozess ausnutzt. Dadurch sind hochwertige Dunkelfeldaufnahmen durch die Metallfilme der Kugel-vor-Fläche Systeme garantiert, und die Spektroskopie einzelner Resonatoren wird erleichtert. Die optischen Untersuchungen werden durch eine Kombination von Rasterkraft- und Rasterelektronenmikroskopie vervollständigt, so dass die Form und Größe der untersuchten Resonatoren in allen drei Dimensionen bestimmt und mit den optischen Resonanzen korreliert werden können. Die Leistungsfähigkeit des neu entwickelten Modus wird für ein Referenzsystem aus Polystyrol-Kugeln auf einem Goldfilm demonstriert. Hierbei zeigen Partikel gleicher Größe auch die erwartete identische Resonanz.rnFür ein aus Gold bestehendes Kugel-vor-Fläche System, bei dem der Spalt durch eine selbstorganisierte Monolage von 2-Aminoethanthiol erzeugt wird, werden die Resonanzen von Goldpartikeln, die durch Reduktion mit Chlorgoldsäure erzeugt wurden, mit denen von idealen Goldkugeln verglichen. Diese ent-stehen aus den herkömmlichen Goldpartikeln durch zusätzliche Bestrahlung mit einem Pikosekunden Nd:Yag Laser. Bei den unbestrahlten Partikeln mit ihrer Unzahl an verschiedenen Formen zeigen nur ein Drittel der untersuchten Resonatoren ein Verhalten, das von der Theorie vorhergesagt wird, ohne das dies mit ihrer Form oder Größe korrelieren würde. Im Fall der bestrahlten Goldkugeln tritt eine spürbare Verbesserung ein, bei dem alle Resonatoren mit den theoretischen Rechnungen übereinstimmen. Eine Änderung der Oberflächenrauheit des Films zeigt hingegen keinen Einfluß auf die Resonanzen. Obwohl durch die Kombination von Goldkugeln und sehr glatten Metallfilmen eine sehr definierte Probengeometrie geschaffen wurde, sind die experimentell bestimmten Linienbreiten der Resonanzen immer noch wesentlich größer als die berechneten. Die Streuung der Daten, selbst für diese Proben, deutet auf weitere Faktoren hin, die die Spaltmoden beeinflußen, wie z.B. die genaue Form des Spalts. rnDie mit den Nanospalten verbundenen hohen Feldverstärkungen werden untersucht, indem ein mit Farbstoff beladenes Polyphenylen-Dendrimer in den Spalt eines aus Silber bestehenden Kugel-vor-Fläche Systems gebracht wird. Das Dendrimer in der Schale besteht lediglich aus Phenyl-Phenyl Bindungen und garantiert durch die damit einhergende Starrheit des Moleküls eine überragende Formstabiliät, ohne gleichzeitig optisch aktiv zu sein. Die 16 Dithiolan Endgruppen sorgen gleichzeitig für die notwendige Affinität zum Silber. Dadurch kann der im Inneren befindliche Farbstoff mit einer Präzision von wenigen Nanometern im Spalt zwischen den Metallstrukturen platziert werden. Der gewählte Perylen Farbstoff zeichnet sich wiederum durch hohe Photostabilität und Fluoreszenz-Quantenausbeute aus. Für alle untersuchten Partikel wird ein starkes Fluoreszenzsignal gefunden, das mindestens 1000-mal stärker ist, als das des mit Farbstoff überzogenen Metallfilms. Das Profil des Fluoreszenz-Anregungsspektrums variiert zwischen den Partikeln und zeigt im Vergleich zum freien Farbstoff eine zusätzliche Emission bei höheren Frequenzen, was in der Literatur als „hot luminescence“ bezeichnet wird. Bei der Untersuchung des Streuverhaltens der Resonatoren können wieder zwei unterschiedliche Arten von Resonatoren un-terschieden werden. Es gibt zunächst die Fälle, die bis auf die beschriebene Linienverbreiterung mit einer idealen Kugel-vor-Fläche Geometrie übereinstimmen und dann andere, die davon stark abweichen. Die Veränderungen der Fluoreszenz-Anregungsspektren für den gebundenen Farbstoffs weisen auf physikalische Mechanismen hin, die bei diesen kleinen Metall/Farbstoff Abständen eine Rolle spielen und die über eine einfache wellenlängenabhängige Verstärkung hinausgehen.

Uncovering the dynamics of cardiac systems using stochastic pacing and frequency domain analyses

Alternans of cardiac action potential duration (APD) is a well-known arrhythmogenic mechanism which results from dynamical instabilities. The propensity to alternans is classically investigated by examining APD restitution and by deriving APD restitution slopes as predictive markers. However, experiments have shown that such markers are not always accurate for the prediction of alternans. Using a mathematical ventricular cell model known to exhibit unstable dynamics of both membrane potential and Ca2+ cycling, we demonstrate that an accurate marker can be obtained by pacing at cycle lengths (CLs) varying randomly around a basic CL (BCL) and by evaluating the transfer function between the time series of CLs and APDs using an autoregressive-moving-average (ARMA) model. The first pole of this transfer function corresponds to the eigenvalue (λalt) of the dominant eigenmode of the cardiac system, which predicts that alternans occurs when λalt≤−1. For different BCLs, control values of λalt were obtained using eigenmode analysis and compared to the first pole of the transfer function estimated using ARMA model fitting in simulations of random pacing protocols. In all versions of the cell model, this pole provided an accurate estimation of λalt. Furthermore, during slow ramp decreases of BCL or simulated drug application, this approach predicted the onset of alternans by extrapolating the time course of the estimated λalt. In conclusion, stochastic pacing and ARMA model identification represents a novel approach to predict alternans without making any assumptions about its ionic mechanisms. It should therefore be applicable experimentally for any type of myocardial cell.