Resonant effects in a voltage-activated channel gating

The non-selective voltage activated cation channel from the human red cells, which is activated at depolarizing potentials, has been shown to exhibit counter-clockwise gating hysteresis. We have analyzed the phenomenon with the simplest possible phenomenological models by assuming $2\times 2$ discrete states, i.e. two normal open/closed states with two different states of ``gate tension.'' Rates of transitions between the two branches of the hysteresis curve have been modeled with single-barrier kinetics by introducing a real-valued ``reaction coordinate'' parameterizing the protein's conformational change. When described in terms of the effective potential with cyclic variations of the control parameter (an activating voltage), this model exhibits typical ``resonant effects'': synchronization, resonant activation and stochastic resonance. Occurrence of the phenomena is investigated by running the stochastic dynamics of the model and analyzing statistical properties of gating trajectories.Comment: 12 pages, 9 figure

Modular analysis of the control of flagellar Ca2+-spike trains produced by CatSper and CaV channels in sea urchin sperm

Intracellular calcium ([Ca2+]i) is a basic and ubiquitous cellular signal controlling a wide variety of biological processes. A remarkable example is the steering of sea urchin spermatozoa towards the conspecific egg by a spatially and temporally orchestrated series of [Ca2+]i spikes. Although this process has been an experimental paradigm for reproduction and sperm chemotaxis studies, the composition and regulation of the signalling network underlying the cytosolic calcium fluctuations are hitherto not fully understood. Here, we used a differential equations model of the signalling network to assess which set of channels can explain the characteristic envelope and temporal organisation of the [Ca2+]i-spike trains. The signalling network comprises an initial membrane hyperpolarisation produced by an Upstream module triggered by the egg-released chemoattractant peptide, via receptor activation, cGMP synthesis and decay. Followed by downstream modules leading to intraflagellar pH (pHi), voltage and [Ca2+]i fluctuations. The Upstream module outputs were fitted to kinetic data on cGMP activity and early membrane potential changes measured in bulk cell populations. Two candidate modules featuring voltage-dependent Ca2+-channels link these outputs to the downstream dynamics and can independently explain the typical decaying envelope and the progressive spacing of the spikes. In the first module, [Ca2+]i-spike trains require the concerted action of a classical CaV-like channel and a potassium channel, BK (Slo1), whereas the second module relies on pHi-dependent CatSper dynamics articulated with voltage-dependent neutral sodium-proton exchanger (NHE). We analysed the dynamics of these two modules alone and in mixed scenarios. We show that the [Ca2+]i dynamics observed experimentally after sustained alkalinisation can be reproduced by a model featuring the CatSper and NHE module but not by those including the pH-independent CaV and BK module or proportionate mixed scenarios. We conclude in favour of the module containing CatSper and NHE and highlight experimentally testable predictions that would corroborate this conclusion

Workload Prediction for Adaptive Power Scaling Using Deep Learning

We apply hierarchical sparse coding, a form of deep learning, to model user-driven workloads based on on-chip hardware performance counters. We then predict periods of low instruction throughput, during which frequency and voltage can be scaled to reclaim power. Using a multi-layer coding structure, our method progressively codes counter values in terms of a few prominent features learned from data, and passes them to a Support Vector Machine (SVM) classifier where they act as signatures for predicting future workload states. We show that prediction accuracy and look-ahead range improve significantly over linear regression modeling, giving more time to adjust power management settings. Our method relies on learning and feature extraction algorithms that can discover and exploit hidden statistical invariances specific to workloads. We argue that, in addition to achieving superior prediction performance, our method is fast enough for practical use. To our knowledge, we are the first to use deep learning at the instruction level for workload prediction and on-chip power adaptation.Engineering and Applied Science

Dynamic Voltage and Frequency Scaling for Wireless Network-on-Chip

Previously, research and design of Network-on-Chip (NoC) paradigms where mainly focused on improving the performance of the interconnection networks. With emerging wide range of low-power applications and energy constrained high-performance applications, it is highly desirable to have NoCs that are highly energy efficient without incurring performance penalty. In the design of high-performance massive multi-core chips, power and heat have become dominant constrains. Increased power consumption can raise chip temperature, which in turn can decrease chip reliability and performance and increase cooling costs. It was proven that Small-world Wireless Network-on-Chip (SWNoC) architecture which replaces multi-hop wire-line path in a NoC by high-bandwidth single hop long range wireless links, reduces the overall energy dissipation when compared to wire-line mesh-based NoC architecture. However, the overall energy dissipation of the wireless NoC is still dominated by wire-line links and switches (buffers). Dynamic Voltage Scaling is an efficient technique for significant power savings in microprocessors. It has been proposed and deployed in modern microprocessors by exploiting the variance in processor utilization. On a Network-on-Chip paradigm, it is more likely that the wire-line links and buffers are not always fully utilized even for different applications. Hence, by exploiting these characteristics of the links and buffers over different traffic, DVFS technique can be incorporated on these switches and wire-line links for huge power savings. In this thesis, a history based DVFS mechanism is proposed. This mechanism uses the past utilization of the wire-line links & buffers to predict the future traffic and accordingly tune the voltage and frequency for the links and buffers dynamically for each time window. This mechanism dynamically minimizes the power consumption while substantially maintaining a high performance over the system. Performance analysis on these DVFS enabled Wireless NoC shows that, the overall energy dissipation is improved by around 40% when compared Small-world Wireless NoCs

Development and design of three monitoring instruments for spacecraft charging

A set of instruments which provide early detection of potentially dangerous geomagnetic substorm conditions and monitor the spacecraft response are discussed. The set consists of a sensor that measures the characteristic energy of collected electrons or ions from + 100 to - 20,000 V, a logarithmic current density sensor that measures local electron flux and a transient events counter that counts the spurious pulses from electrostatic discharges that couple into the spacecraft wiring harness. Design details and performance characteristics of the three instruments are given. Size, weight, and power requirements are minimized

Voltage control of uniaxial and unidirectional magnetic thin films by electrochemical reactions

Die Beeinflussung der Magnetisierungsrichtung magnetischer Dünnschichten mittels einer elektrischen Spannung, anstatt eines elektrischen Stromes, ist vielversprechend für die energieeffizientere Nutzung magnetischer Bauelemente in der Datenspeicherung und in anderen Technologien. Ein neuartiger Ansatz für solche magnetoelektrischen Materialien ist die Kontrolle des Magnetismus über elektrochemische Reaktionen. Die elektrische Spannung wird dabei über einen flüssigen oder festen Elektrolyten an die magnetische Schicht angelegt, und elektrochemische Grenzflächenreaktionen führen zur reversiblen Kontrolle magnetischer Eigenschaften. Bisher wurden dazu hauptsächlich Schichten mit senkrechter magnetischer Anisotropie untersucht und zur Charakterisierung nur die Magnetisierungskurven bei angelegter elektrischer Spannung aufgenommen. Für ein tieferes Verständnis der zugrunde liegenden Mechanismen ist eine zusätzliche Untersuchung der magnetischen Mikrostruktur notwendig. Im Rahmen der Arbeit wurde eine elektrochemische Zelle für flüssige Elektrolyten entwickelt, die mit magneto-optischer Kerr-Mikroskopie kompatibel ist. Mit dieser Messzelle wurden in situ Untersuchungen des Einflusses elektrochemischer Reaktionen auf die magnetischen Eigenschaften von FeOx/Fe-Dünnschichtsystemen durchgeführt. Die mittels Sputtern hergestellten FeOx/Fe Schichten zeigen eine uniaxiale magnetische Anisotropie mit der Magnetisierungsrichtung in der Ebene. Winkelaufgelöste Kerr-Mikroskopiemesssungen zeigten einen magnetisch blockierten Zustand entlang der harten Achse, der eine erhöhte Koerzivität und Remanenz aufweist. Dieser konnte auf die Wechselwirkung zwischen geladenen Néel-Domänenwand-Ausläufern zurückgeführt werden. Anhysteretische Messungen entlang der magnetisch harten Achse ermöglichten die Quantifizierung der uniaxialen Anisotropiekonstanten KU. Bei Anlegen einer elektrischen Spannung an die FeOx/Fe Schichten in einem 1 mol/l LiOH Elektrolyten wurde eine reversible elektrochemische Umwandlung von FeOx zu metallischen Fe mittels in-situ Ramanspektroskopie nachgewiesen. Diese Umwandlung führt gleichzeitig zu einer Aufhebung des blockierten magnetischen Zustands. Dadurch konnte ein reversibles An- und Ausschalten der Koerzivität und Remanenz erreicht werden. Über in situ Kerrmikroskopiemessungen konnte nachgewiesen werden, dass gleichzeitig mit der Abnahme der Koerzivität bei der elektrochemischen Umwandlung auch eine Erhöhung von KU und eine Vergrößerung der magnetischen Domänen auftritt. Mit diesen Analysen konnte die Verringerung der Wechselwirkungen zwischen den Néel-Domänenwand-Ausläufern als Ursache für die elektrische Kontrolle der Koerzivität aufgedeckt werden. Weiterhin spielt eine verringerte Pinningkraft der magnetischen Pinningzentren durch die FeOx – Fe-Umwandlung eine Rolle. Die elektrochemische Kontrolle der Koerzivität erlaubte es, bei einem geringen magnetischen Feld ein 180°-Schalten der Magnetisierung über eine elektrische Spannung zu erreichen. Die dazu benötigte Schaltenergie wurde zu 121 mJ pro 38.5 mm2 in 60 s abgeschätzt, was sehr vielversprechend für eine Steigerung der Energieeffizienz magnetischer Bauelemente ist. Die elektrochemische Umwandlung von FeOx zu Fe in 1 mol/l LiOH wurde auf das Schichtsystem FeOx/Fe/IrMn mit unidirektionaler Anisotropie in der Schichtebene angewandt. In diesem System kommt es durch die Kopplung von Ferromagnet/Antiferromagnet zu einer unidirektionalen Verschiebung der Hysterese (Exchange Bias). Hier konnte erstmals eine nichtflüchtige, elektrische Kontrolle des Exchange Bias erreicht werden. Mit XPS und dem Vergleich mit einem Model für den Exchange Bias wurde die elecktrochemisch-induzierte Schichtdickenvariation des Ferro-magneten als Ursache aufgedeckt. Die elektrochemische Kontrolle des Exchange Bias ermöglichte eine laterale Strukturierung der damit assoziierten magnetischen Domänen. Damit wurde hier eine neue Struk-turierungsmethode für unidirektionale Systeme vorgestellt. Gegenüber konventionellen Strukturierungsmethoden (beispielweise über Ionenbombardierung) kann so eine elektrochemische Strukturierung vorteilhaft sein, da sie bei Umgebungsbedingungen und ohne Vakuumtechnik funktioniert. Eine unidirektionale Anisotropie mit der Magnetisierungsrichtung senkrecht zur Schichtebene wird im System GdOx/Pd/Co/Pd/NiO erzielt. In diesem System wird ausgenutzt, dass das Anlegen einer elektrischen Spannung über elektrochemische-Reaktionen zur H-Anlagerung in den Co- und Pd-Schichten führt, was eine Änderung der senkrechten magnetischen Anisotrope zur Folge hat. Im Schichtsystem mit Co als ferromagnetischer und NiO als antiferromagnetischer Schicht konnte erstmals mittels einer elektrischen Spannung eine senkrecht zur Schichtebene ausgeprägte Exchange-Bias-Hysterese reversibel an- und ausgeschaltet werden. Für mehrere Zyklen werden Effekte beobachtet, die Trainings-Effekten an konventionellen Exchange-Bias-Systemen ähneln. Das Anlegen einer elektrischen Spannung an GdOx/Pd/GdCo/Pd/NiO mit GdCo als ferrimagnetischer Lage führt zu einer Umkehrung der Exchange-Bias-Hysterese und deren vorzeichenbehafteter Verschiebung, welches auf die Umkehrung der magnetischen Ausrichtung der Untergitter zurückgeführt wird.:1 Introduction 1 2 Fundamentals of magnetic thin films 5 3 State of the Art 11 3.1 Voltage control of magnetism 11 3.2 Electrochemical control of magnetism 14 4 Methods 21 4.1 Film fabrication 21 4.2 Ex-situ and in-situ analytical characterization 22 4.3 Electrochemical characterization 24 4.4 Magneto-optical Kerr Magnetometry and Microscopy 25 5 Combining Kerr microscopy and electrochemistry – the in situ cell 29 6 In-plane uniaxial anisotropy and blocked domain state in FeOx/Fe thin films 33 6.1 Microstructure and composition 33 6.2 Magnetically blocked state in pristine FeOx/Fe thin film 34 7 Voltage control of FeOx/Fe thin films with in-plane uniaxial anisotropy 41 7.1 Voltage control of hysteresis by electrochemical reduction of FeOx 41 7.2 Inverse scaling of coercivity and anisotropy revealed by anhysteresis 44 7.3 Voltage control of magnetic domains 46 7.4 Magnetic de-blocking due to change of Néel wall interactions 48 7.5 Switching of magnetization by a low voltage and energy efficiency 51 7.6 Energy efficiency and application potential for data storage and actuation 53 7.7 Interim conclusion 54 8 Voltage control of FeOx/Fe/IrMn thin films with in-plane unidirectional anisotropy 57 8.1 Characterization of the pristine state exchange biased thin films 57 8.2 Electrochemical modification of EB – voltage dependency 58 8.3 Electrochemical modification of EB – time dependency 61 8.4 Model for voltage control of EB by electrochemistry 64 8.5 Non-volatile and reversible voltage control of exchange bias 65 8.6 Nonvolatile change of oxidation state and layer thickness 67 8.7 Electrochemical patterning of EB and magnetic domain state 68 8.8 Interim conclusion 70 9 Voltage control of magnetic thin films with perpendicular unidirectional anisotropy 73 9.1 Co thin films with perpendicular unidirectional anisotropy 73 9.2 Voltage control of EB in Co/Pd/NiO thin films 73 9.3 Interim conclusion 81 9.4 Voltage control of ferrimagnetic GdCo/Pd/NiO thin film 81 10 Evaluation with regard to perspective applications 83 11 Summary 87 12 Appendix 93 References 107 List of Figures 121 Publication List 123 Acknowledgments 125 Symbols 127 Statement of Authorship 12