Distorted-wave calculation of cross sections for inner-shell ionization by electron and positron impact

The relativistic distorted-wave Born approximation is used to calculate differential and total cross sections for inner shell ionization of neutral atoms by electron and positron impact. The target atom is described within the independent-electron approximation using the self-consistent Dirac-Fock-Slater potential. The distorting potential for the projectile is also set equal to the Dirac-Fock-Slater potential. For electrons, this guarantees orthogonality of all the orbitals involved and simplifies the calculation of exchange T-matrix elements. The interaction between the projectile and the target electrons is assumed to reduce to the instantaneous Coulomb interaction. The adopted numerical algorithm allows the calculation of differential and total cross sections for projectiles with kinetic energies ranging from the ionization threshold up to about ten times this value. Algorithm accuracy and stability are demonstrated by comparing differential cross sections calculated by our code with the distorting potential set to zero with equivalent results generated by a more robust code that uses the conventional plane-wave Born approximation. Sample calculation results are presented for ionization of K- and L-shells of various elements and compared with the available experimental data.

Reducing noise associated with the Monte Carlo Independent Column Approximation for weather forecasting models

The Monte Carlo Independent Column Approximation (McICA) is a flexible method for representing subgrid-scale cloud inhomogeneity in radiative transfer schemes. It does, however, introduce conditional random errors but these have been shown to have little effect on climate simulations, where spatial and temporal scales of interest are large enough for effects of noise to be averaged out. This article considers the effect of McICA noise on a numerical weather prediction (NWP) model, where the time and spatial scales of interest are much closer to those at which the errors manifest themselves; this, as we show, means that noise is more significant. We suggest methods for efficiently reducing the magnitude of McICA noise and test these methods in a global NWP version of the UK Met Office Unified Model (MetUM). The resultant errors are put into context by comparison with errors due to the widely used assumption of maximum-random-overlap of plane-parallel homogeneous cloud. For a simple implementation of the McICA scheme, forecasts of near-surface temperature are found to be worse than those obtained using the plane-parallel, maximum-random-overlap representation of clouds. However, by applying the methods suggested in this article, we can reduce noise enough to give forecasts of near-surface temperature that are an improvement on the plane-parallel maximum-random-overlap forecasts. We conclude that the McICA scheme can be used to improve the representation of clouds in NWP models, with the provision that the associated noise is sufficiently small.

ON THE INDEPENDENT-PARTICLE APPROXIMATION OF GAUGE-THEORIES - A SIMPLE EXAMPLE

In this work the independent particle model formulation is studied as a mean-field approximation of gauge theories using the path integral approach in the framework of quantum electrodynamics in 1 + 1 dimensions. It is shown how a mean-field approximation scheme can be applied to fit an effective potential to an independent particle model, building a straightforward relation between the model and the associated gauge field theory. An example is made considering the problem of massive Dirac fermions on a line, the so called massive Schwinger model. An interesting result is found, indicating a behaviour of screening of the charges in the relativistic limit of strong coupling. A forthcoming application of the method developed to confining potentials in independent quark models for QCD is in view and is briefly discussed.

Direct electron transfer to cytochrome c oxidase investigated by electrochemistry and time-resolved surface-enhanced infrared absorption spectroscopy

Cytochrom c Oxidase (CcO), der Komplex IV der Atmungskette, ist eine der Häm-Kupfer enthaltenden Oxidasen und hat eine wichtige Funktion im Zellmetabolismus. Das Enzym enthält vier prosthetische Gruppen und befindet sich in der inneren Membran von Mitochondrien und in der Zellmembran einiger aerober Bakterien. Die CcO katalysiert den Elektronentransfer (ET) von Cytochrom c zu O2, wobei die eigentliche Reaktion am binuklearen Zentrum (CuB-Häm a3) erfolgt. Bei der Reduktion von O2 zu zwei H2O werden vier Protonen verbraucht. Zudem werden vier Protonen über die Membran transportiert, wodurch eine elektrochemische Potentialdifferenz dieser Ionen zwischen Matrix und Intermembranphase entsteht. Trotz ihrer Wichtigkeit sind Membranproteine wie die CcO noch wenig untersucht, weshalb auch der Mechanismus der Atmungskette noch nicht vollständig aufgeklärt ist. Das Ziel dieser Arbeit ist, einen Beitrag zum Verständnis der Funktion der CcO zu leisten. Hierzu wurde die CcO aus Rhodobacter sphaeroides über einen His-Anker, der am C-Terminus der Untereinheit II angebracht wurde, an eine funktionalisierte Metallelektrode in definierter Orientierung gebunden. Der erste Elektronenakzeptor, das CuA, liegt dabei am nächsten zur Metalloberfläche. Dann wurde eine Doppelschicht aus Lipiden insitu zwischen die gebundenen Proteine eingefügt, was zur sog. proteingebundenen Lipid-Doppelschicht Membran (ptBLM) führt. Dabei musste die optimale Oberflächenkonzentration der gebundenen Proteine herausgefunden werden. Elektrochemische Impedanzspektroskopie(EIS), Oberflächenplasmonenresonanzspektroskopie (SPR) und zyklische Voltammetrie (CV) wurden angewandt um die Aktivität der CcO als Funktion der Packungsdichte zu charakterisieren. Der Hauptteil der Arbeit betrifft die Untersuchung des direkten ET zur CcO unter anaeroben Bedingungen. Die Kombination aus zeitaufgelöster oberflächenverstärkter Infrarot-Absorptionsspektroskopie (tr-SEIRAS) und Elektrochemie hat sich dafür als besonders geeignet erwiesen. In einer ersten Studie wurde der ET mit Hilfe von fast scan CV untersucht, wobei CVs von nicht-aktivierter sowie aktivierter CcO mit verschiedenen Vorschubgeschwindigkeiten gemessen wurden. Die aktivierte Form wurde nach dem katalytischen Umsatz des Proteins in Anwesenheit von O2 erhalten. Ein vier-ET-modell wurde entwickelt um die CVs zu analysieren. Die Methode erlaubt zwischen dem Mechanismus des sequentiellen und des unabhängigen ET zu den vier Zentren CuA, Häm a, Häm a3 und CuB zu unterscheiden. Zudem lassen sich die Standardredoxpotentiale und die kinetischen Koeffizienten des ET bestimmen. In einer zweiten Studie wurde tr-SEIRAS im step scan Modus angewandt. Dafür wurden Rechteckpulse an die CcO angelegt und SEIRAS im ART-Modus verwendet um Spektren bei definierten Zeitscheiben aufzunehmen. Aus diesen Spektren wurden einzelne Banden isoliert, die Veränderungen von Vibrationsmoden der Aminosäuren und Peptidgruppen in Abhängigkeit des Redoxzustands der Zentren zeigen. Aufgrund von Zuordnungen aus der Literatur, die durch potentiometrische Titration der CcO ermittelt wurden, konnten die Banden versuchsweise den Redoxzentren zugeordnet werden. Die Bandenflächen gegen die Zeit aufgetragen geben dann die Redox-Kinetik der Zentren wieder und wurden wiederum mit dem vier-ET-Modell ausgewertet. Die Ergebnisse beider Studien erlauben die Schlussfolgerung, dass der ET zur CcO in einer ptBLM mit größter Wahrscheinlichkeit dem sequentiellen Mechanismus folgt, was dem natürlichen ET von Cytochrom c zur CcO entspricht.

Two-photon ionization of atomic inner-shells

Die Summation ueber des vollstaendige Spektrum des Atoms, die in der Stoehrungstheorie zweiter Ordnung vorkommt, wurde mit Hilfe der Greenschen Funktion Methode berechnet. Die Methode der Greenschen Funktion verlangt die Berechnung der unterschiedlichen Greenschen Funktionen: eine Coulomb-Greensche-Funktion im Fall von wasserstoffaehnlichen Ionen und eine Zentral-feld-Greensche-Funktion im Fall des Vielelektronen-Atoms. Die entwickelte Greensche Funktion erlaubte uns die folgenden atomaren Systeme in die Zweiphotonenionisierung der folgenden atomaren Systeme zu untersuchen: - wasserstoffaehnliche Ionen, um relativistische und Multipol-Effekte aufzudecken, - die aeussere Schale des Lithium; Helium und Helium-aehnliches Neon im Grundzustand, um taugliche Modelle des atomaren Feldes zu erhalten, - K- und L-Schalen des Argon, um die Vielelektronen-Effekte abzuschaetzen. Zusammenfassend, die relativistische Effekte ergeben sich in einer allgemeinen Reduzierung der Zweiphotonen Wirkungsquerschnitte. Zum Beispiel, betraegt das Verhaeltnis zwischen den nichtrelativistischen und relativistischen Wirkungsquerschnitten einen Faktor zwei fuer wasserstoffaehnliches Uran. Ausser dieser relativistischen Kontraktion, ist auch die relativistische Aufspaltung der Zwischenzustaende fuer mittelschwere Ionen sichtbar. Im Gegensatz zu den relativistischen Effekten, beeinflussen die Multipol-Effekte die totalen Wirkungsquerschnitte sehr wenig, so dass die Langwellennaeherung mit der exakten Naeherung fuer schwere Ionen sogar innerhalb von 5 Prozent uebereinstimmt. Die winkelaufgeloesten Wirkungsquerschnitte werden durch die relativistischen Effekte auf eine beeindruckende Weise beeinflusst: die Form der differentiellen Wirkungsquerschnitte aendert sich (qualitativ) abhaengig von der Photonenenergie. Ausserdem kann die Beruecksichtigung der hoeheren Multipole die elektronische Ausbeute um einen Faktor drei aendern. Die Vielelektronen-Effekte in der Zweiphotonenionisierung wurden am Beispiel der K- und L-Schalen des Argon analysiert. Hiermit wurden die totalen Wirkungsquerschnitte in einer Ein-aktives-Elektron-Naeherung (single-active-electron approximation) berechnet. Es hat sich herausgestellt, dass die Elektron--Elektron-Wechselwirkung sehr wichtig fuer die L-Schale und vernachlaessigbar fuer die K-Schale ist. Das bedeutet, dass man die totalen Wirkungsquerschnitte mit wasserstoffaehnlichen Modellen im Fall der K-Schale beschreiben kann, aber fuer die L-Schale fortgeschrittene Modelle erforderlich sind. Die Ergebnisse fuer Vielelektronen-Atome wurden mittels einer Dirac-Zentral-feld-Greenschen Funktion erlangt. Ein numerischer Algorithmus wurde urspruenglich von McGuire (1981) fuer der Schroedinger-Zentral-feld-Greensche Funktion eingefuehrt. Der Algorithmus wurde in dieser Arbeit zum ersten Mal fuer die Dirac-Gleichung angewandt. Unser Algorithmus benutzt die Kummer- und Tricomi-Funktionen, die mit Hilfe eines zuverlaessigen, aber noch immer langsamen Programmes berechnet wurden. Die Langsamkeit des Programms begrenzt den Bereich der Aufgaben, die effizient geloest werden koennen. Die Zentral-feld-Greensche Funktion konnte bei den folgenden Problemen benutzt werden: - Berechnung der Zweiphotonen-Zerfallsraten, - Berechnung der Zweiphotonenanregung und -ionisierungs-Wirkungsquerschnitte, - Berechnung die Multiphotonenanregung und -ionisierungs-Wirkungsquerschnitte, - Berechnung einer atomaren Vielelektronen-Green-Funktion. Von diesen Aufgaben koennen nur die ersten beiden in angemessener Zeit geloest werden. Fuer die letzten beiden Aufgaben ist unsere Implementierung zu langsam und muss weiter verbessert werden.

Influence of ice crystal habit and cirrus spatial inhomogeneities on the retrieval of cirrus optical thickness and effective radius

Diese Dissertation untersucht den Einfluss von Eiskristallform und räumlicher Inhomogenität von Zirren auf das Retrieval von optischer Wolkendicke und effektivem Eispartikelradius. Zu diesem Zweck werden flugzeuggetragene spektrale Messungen solarer Strahlung sowie solare und langwellige Strahlungstransfersimulationen durchgeführt. Flugzeuggetragene spektrale aufwärtsgerichtete Radianzen (Strahldichten) sind mit dem SMART-Albedometer (Spectral Modular Airborne Radiation measurement sysTem) während des CIRCLE-2 (CIRrus CLoud Experiment-2) Feldexperiments im Mai 2007 gemessen worden. Basierend auf diesen Radianzdaten werden mittels eines Wolkenretrievalalgorithmus optische Wolkendicken und effektive Eispartikelradien anhand von eindimensionalen Strahlungstransferrechnungen bestimmt. Die Auswirkung der Annahme unterschiedlicher Eiskristallformen auf die retrievten Parameter wird durch Variation der Einfachstreueigenschaften der Eispartikel untersucht. Darüber hinaus wird mittels Strahlungstransferrechnungen auch der Einfluss der Eiskristallform auf den Strahlungsantrieb von Eiswolken ermittelt. Die Frage nach dem relativen Einfluss von räumlicher Wolkeninhomogenität und Eiskristallform wird anhand von dreidimensionalen und independent pixel approximation (IPA) Strahlungssimulationen untersucht. Die Analyse basiert auf einer Modelleiswolke, die aus Daten des NASA (National Aeronautics and Space Administration) TC4 (Tropical Composition, Cloud, and Climate Coupling) Feldexperiments im Sommer 2007 in Costa Rica erzeugt wurde. Lokal gesehen können beide Effekte - Eiskristallform und räumliche Eiswolkeninhomogenität - die gleiche Grössenordnung haben und zu einer Unter- bzw. Überschätzung der retrievten Parameter um 40 – 60% führen. Gemittelt über die ganze Wolke ist jedoch der Einfluss der Eiskristallform viel bedeutender als der von räumlichen Inhomogenitäten.

Electronic and photon absorber properties of Cr-Doped Cu2ZnSnS4

The Cu2ZnSnS4 (CZTS) semiconductor is a potential photovoltaic material due to its optoelectronic properties. These optoelectronic properties can be potentially improved by the insertion of intermediate states into the energy bandgap. We explore this possibility using Cr as an impurity. We carried out first-principles calculations within the density functional theory analyzing three substitutions: Cu, Sn, or Zn by Cr. In all cases, the Cr introduces a deeper band into the host energy bandgap. Depending on the substitution, this band is full, empty, or partially full. The absorption coefficients in the independent-particle approximation have also been obtained. Comparison between the pure and doped host's absorption coefficients shows that this deeper band opens more photon absorption channels and could therefo:e increase the solar-light absorption with respect to the host.

Photovoltaic application of the V, Cr and Mn-doped cadmium thioindate

The CdIn2S4 spinel semiconductor is a potential photovoltaic material due to its energy band gap and absorption properties. These optoelectronic properties can be potentiality improved by the insertion of intermediate states into the energy bandgap. We explore this possibility using M = Cr, V and Mn as an impurity. We analyze with first-principles almost all substitutions of the host atoms by M at the octahedral and tetrahedral sites in the normal and inverse spinel structures. In almost all cases, the impurities introduce deeper bands into the host energy bandgap. Depending on the site substitution, these bands are full, empty or partially-full. It increases the number of possible inter-band transitions and the possible applications in optoelectronic devices. The contribution of the impurity states to these bands and the substitutional energies indicate that these impurities are energetically favorable for some sites in the host spinel. The absorption coefficients in the independent-particle approximation show that these deeper bands open additional photon absorption channels. It could therefore increase the solar-light absorption with respect to the host.

SEMICLASSICAL THEORY OF MAGNETIZATION FOR A 2-DIMENSIONAL NONINTERACTING ELECTRON-GAS

We compute the semiclassical magnetization and susceptibility of non-interacting electrons, confined by a smooth two-dimensional potential and subjected to a uniform perpendicular magnetic field, in the general case when their classical motion is chaotic. It is demonstrated that the magnetization per particle m(B) is directly related to the staircase function N(E), which counts the single-particle levels up to energy E. Using Gutzwiller's trace formula for N, we derive a semiclassical expression for m. Our results show that the magnetization has a non-zero average, which arises from quantum corrections to the leading-order Weyl approximation to the mean staircase and which is independent of whether the classical motion is chaotic or not. Fluctuations about the average are due to classical periodic orbits and do represent a signature of chaos. This behaviour is confirmed by numerical computations for a specific system.

The electron-furfural scattering dynamics for 63 energetically open electronic states

We report on integral-, momentum transfer-and differential cross sections for elastic and electronically inelastic electron collisions with furfural (C5H4O2). The calculations were performed with two different theoretical methodologies, the Schwinger multichannel method with pseudopotentials (SMCPP) and the independent atom method with screening corrected additivity rule (IAM-SCAR) that now incorporates a further interference (I) term. The SMCPP with N energetically open electronic states (N-open) at either the static-exchange (N-open ch-SE) or the static-exchange-plus-polarisation (N-open ch-SEP) approximation was employed to calculate the scattering amplitudes at impact energies lying between 5 eV and 50 eV, using a channel coupling scheme that ranges from the 1ch-SEP up to the 63ch-SE level of approximation depending on the energy considered. For elastic scattering, we found very good overall agreement at higher energies among our SMCPP cross sections, our IAM-SCAR+I cross sections and the experimental data for furan (a molecule that differs from furfural only by the substitution of a hydrogen atom in furan with an aldehyde functional group). This is a good indication that our elastic cross sections are converged with respect to the multichannel coupling effect for most of the investigated intermediate energies. However, although the present application represents the most sophisticated calculation performed with the SMCPP method thus far, the inelastic cross sections, even for the low lying energy states, are still not completely converged for intermediate and higher energies. We discuss possible reasons leading to this discrepancy and point out what further steps need to be undertaken in order to improve the agreement between the calculated and measured cross sections. (C) 2016 AIP Publishing LLC.

Theory of strongly correlated electron systems. I. Intersite coulomb interaction and the approximation of renormalized fermions in total energy calculations

The diagrammatic strong-coupling perturbation theory (SCPT) for correlated electron systems is developed for intersite Coulomb interaction and for a nonorthogonal basis set. The construction is based on iterations of exact closed equations for many - electron Green functions (GFs) for Hubbard operators in terms of functional derivatives with respect to external sources. The graphs, which do not contain the contributions from the fluctuations of the local population numbers of the ion states, play a special role: a one-to-one correspondence is found between the subset of such graphs for the many - electron GFs and the complete set of Feynman graphs of weak-coupling perturbation theory (WCPT) for single-electron GFs. This fact is used for formulation of the approximation of renormalized Fermions (ARF) in which the many-electron quasi-particles behave analogously to normal Fermions. Then, by analyzing: (a) Sham's equation, which connects the self-energy and the exchange- correlation potential in density functional theory (DFT); and (b) the Galitskii and Migdal expressions for the total energy, written within WCPT and within ARF SCPT, a way we suggest a method to improve the description of the systems with correlated electrons within the local density approximation (LDA) to DFT. The formulation, in terms of renormalized Fermions LIDA (RF LDA), is obtained by introducing the spectral weights of the many electron GFs into the definitions of the charge density, the overlap matrices, effective mixing and hopping matrix elements, into existing electronic structure codes, whereas the weights themselves have to be found from an additional set of equations. Compared with LDA+U and self-interaction correction (SIC) methods, RF LDA has the advantage of taking into account the transfer of spectral weights, and, when formulated in terms of GFs, also allows for consideration of excitations and nonzero temperature. Going beyond the ARF SCPT, as well as RF LIDA, and taking into account the fluctuations of ion population numbers would require writing completely new codes for ab initio calculations. The application of RF LDA for ab initio band structure calculations for rare earth metals is presented in part 11 of this study (this issue). (c) 2005 Wiley Periodicals, Inc.

Theoretical and experimental study on electron interactions with chlorobenzene: Shape resonances and differential cross sections

In this work, we report theoretical and experimental cross sections for elastic scattering of electrons by chlorobenzene (ClB). The theoretical integral and differential cross sections (DCSs) were obtained with the Schwinger multichannel method implemented with pseudopotentials (SMCPP) and the independent atom method with screening corrected additivity rule (IAM-SCAR). The calculations with the SMCPP method were done in the static-exchange (SE) approximation, for energies above 12 eV, and in the static-exchange plus polarization approximation, for energies up to 12 eV. The calculations with the IAM-SCAR method covered energies up to 500 eV. The experimental differential cross sections were obtained in the high resolution electron energy loss spectrometer VG-SEELS 400, in Lisbon, for electron energies from 8.0 eV to 50 eV and angular range from 7 degrees to 110 degrees. From the present theoretical integral cross section (ICS) we discuss the low-energy shape-resonances present in chlorobenzene and compare our computed resonance spectra with available electron transmission spectroscopy data present in the literature. Since there is no other work in the literature reporting differential cross sections for this molecule, we compare our theoretical and experimental DCSs with experimental data available for the parent molecule benzene. Published by AIP Publishing.

Delocalized water and fluoride contributions to Dyson orbitals for electron detachment from the hydrated fluoride anion

The experimental vertical electron detachment energy (VEDE) of aqueous fluoride, [F(-)(H(2)O)], is approximately 9.8 eV, but spectral assignment is complicated by interference between F(-) 2p and H(2)O 1b(1) orbitals. The electronic structure of [F(-)(H(2)O)] is analyzed with Monte Carlo and ab initio quantum-mechanical calculations. Electron-propagator calculations in the partial third-order approximation yield a VEDE of 9.4 eV. None of the Dyson orbitals corresponding to valence VEDEs consists primarily of F 2p functions. These results and ground-state atomic charges indicate that the final, neutral state is more appropriately described as [F(-)(H(2)O)(+)] than as [F(H(2)O)]. (C) 2010 American Institute of Physics. [doi: 10.1063/1.3431081]