Controlling the Flow of Spin and Charge in Nanoscopic Topological Insulators

Controlling the flow of spin and charge currents in topological insulators (TIs) is a crucial requirement for applications in quantum computation and spin electronics. We demonstrate that such control can be established in nanoscopic two-dimensional TIs by breaking their time reversal symmetry via magnetic defects. This allows for the creation of nearly fully spin-polarized charge currents, and the design of highly tunable spin diodes. Similar effects can also be realized in mesoscale hybrid structures in which TIs interface with ferro- or antiferromagnets

Glacial and Sea Level History of Lowther and Griffith Islands, Northwest Territories: A Hint of Tectonics

Lowther and Griffith islands, in the centre of Parry Channel, were overrun by the Laurentide Ice Sheet early in the last glaciation. Northeastward Laurentide ice flow persisted across at least Lowther Island until early Holocene déglaciation. Well constrained postglacial emergence curves for the islands confirm a southward dip of raised shorelines, contrary to the dip expected from the ice load configuration. This and previously reported incongruities may indicate regionally extensive tectonic complications of postglacial rebound aligned with major structural elements in the central Canadian Arctic Islands.Les îles Lowther et Griffith, situées au centre du chenal de Parry, ont été recouvertes par l'Inlandsis laurentidien tôt au cours de la dernière glaciation. Un écoulement glaciaire vers le nord-ouest a persisté à l'île Lowther, tout au moins, jusqu'à la déglaciation au début de l'Holocène. Les courbes d'émersion bien identifiées de l'île confirment une inclinaison des plages soulevées vers le sud, contrairement à l'inclinaison prévue à partir de la configuration de la charge glaciaire. Ce fait ainsi que d'autres anomalies déjà signalées pourraient indiquer des complications d'ordre tectonique à l'échelle régionale au moment du relèvement isostatique postglaciaire correspondant aux principaux éléments structuraux des îles du centre de l'Arctique canadien.Die im Zentrum des Parry-Kanals gelegenen Insein Lowther und Griffith wurden zu Beginn der letzten Vereisung durch die laurentidische Eisdecke bedeckt. Der laurentidische EisfluB in Richtung Nordosten hat zumindest ùber die Insel Lowther hinweg bis zur frùhen Holozan-Enteisung gedauert. Die deutlich erkennbaren postglazialen Auftauchkurven der Insein bestâtigen eine Neigung der angehobenen Kùstenlinien nach Sùden, entgegen der Neigung, die man entsprechend der Eismassenkonfiguration erwartet hàtte. Dies und zuvor schon aufgezeigte Anomalien kônnten auf regional extensive tektonische Komplikationen beim postglazialen isostatischen Rùckprall hinweisen, entsprechend den wichtigsten strukturellen Elementen der Insein im Zentrum der kana-dischen Arktis

The emergence of environmental homeostasis in complex ecosystems

The Earth, with its core-driven magnetic field, convective mantle, mobile lid tectonics, oceans of liquid water, dynamic climate and abundant life is arguably the most complex system in the known universe. This system has exhibited stability in the sense of, bar a number of notable exceptions, surface temperature remaining within the bounds required for liquid water and so a significant biosphere. Explanations for this range from anthropic principles in which the Earth was essentially lucky, to homeostatic Gaia in which the abiotic and biotic components of the Earth system self-organise into homeostatic states that are robust to a wide range of external perturbations. Here we present results from a conceptual model that demonstrates the emergence of homeostasis as a consequence of the feedback loop operating between life and its environment. Formulating the model in terms of Gaussian processes allows the development of novel computational methods in order to provide solutions. We find that the stability of this system will typically increase then remain constant with an increase in biological diversity and that the number of attractors within the phase space exponentially increases with the number of environmental variables while the probability of the system being in an attractor that lies within prescribed boundaries decreases approximately linearly. We argue that the cybernetic concept of rein control provides insights into how this model system, and potentially any system that is comprised of biological to environmental feedback loops, self-organises into homeostatic states

Tipping points in complex coupled life-environment systems

Simple models of complex phenomena provide powerful insights and suggest low-level mechanistic descriptions. The Earth system arises from the interaction of subsystems with multi-scale temporal and spatial variability; from the microbial to continental scales, operating over the course of days to geological time. System-level homeostasis has been demonstrated in a number of conceptual, artificial life, models which share the advantage of a thorough and transparent analysis. We reintroduce a general model for a coupled life-environment model, concentrating on a minimal set of assumptions, and explore the consequences of interaction between simple life elements and their shared, multidimensional environment. In particular stability, criticality and transitions are of great relevance to understanding the history, and future of the Earth system. The model is shown to share salient features with other abstract systems such as Ashby's Homeostat and Watson and Lovelock's Daisyworld. Our generic description is free to explore high-dimensional, complex environments, and in doing so we show that even a small increase in the environmental complexity gives rise to very complex attractor landscapes which require a much richer conception of critical transitions and hysteresi

Finite range corrections near a Feshbach resonance and their role in the Efimov effect

We have measured the binding energy of $^7$Li Feshbach molecules deep into the non-universal regime by associating free atoms in a Bose-Einstein condensate by modulating the magnetic field. We extract the scattering length from these measurements, correcting for non-universal short-range effects using several different methods. We find that field-dependent effective range corrections agree well with the data. With this more precise determination of the scattering length vs. field we reanalyze our previous data on the location of atom loss features produced by the Efimov effect \cite{PollackSci09} and investigate effective range corrections to universal theory.Comment: Accepted for publication in Phys. Rev.

Late Quaternary Vegetation History of Northern North America Based on Pollen, Macrofossil, and Faunal Remains

Biome maps spanning the interval from the last glacial maximum to modern times are presented. The biome distributions at 18 ka BP were probably as nearly in equilibrium with climate as are the modern distributions, but deglacial biomes were probably in disequilibrium. Ice sheet configuration was a strong control of climate until 7 ka BP. Regional climate trends can be inferred from changing biome distributions, but during periods of disequilibrium, biome distributions under-represent summer warming. Because of summer cooling by 2-4 °C during the Holocene, largely in the last 3-5 ka, middle and certain early Holocene biome distributions and species compositions are reasonable analogues of future equilibrium displacements due to equivalent warming, at least in areas that were long-since deglaciated. Past biome migration rates in response to rapid regional warming during deglaciation were mainly in the range of 100-200 m per year. If these rates pertain in the future, biomes may shift 10-20 km in most regions over the next century. A major impediment to using former Holocene conditions as a guide to future conditions is that warmer Holocene summers were accompanied by colder winters, whereas warmer future summers will be accompanied by warmer winters.Les cartes des biomes établies entre le dernier maximum glaciaire et les temps modernes sont présentées. La répartition des biomes en 18 ka BP était probablement en équilibre avec le climat comme les distributions modernes, mais les biomes durant la déglaciation étaient probablement en déséquilibre. La configuration de la calotte glaciaire exerçait un fort contrôle sur le climat jusque vers 7 ka BP. Les tendances climatiques régionales peuvent être estimées à partir des changements observés dans la répartition des biomes, mais en période de déséquilibre leur distribution sous-représente le réchauffement estival. À cause du refroidissement estival de 2 à 4 °C durant l’Holocène, depuis les derniers 3 à 5 ka, la distribution des biomes au cours de l’Holocène moyen et inférieur et la composition des espèces sont similaires aux déplacements de l’équilibre futur lié au réchauffement, du moins pour les régions qui sont déglacées depuis longtemps. Les taux de migration des biomes anciens furent de l’ordre de 100 à 200 m par année. Si ces taux se maintiennent dans le futur, les biomes pourraient se déplacer de 10 à 20 km dans la plupart des régions au cours du prochain siècle. L’obstacle majeur à l’utilisation des conditions qui prévalent durant l’Holocène, pour l’estimation des conditions futures, est que les étés chauds sont accompagnés d’hivers froids tandis que les futurs étés chauds seront accompagnés d’hivers chauds

Late Wisconsinan and Holocene History of the Laurentide Ice Sheet

Eleven paleogeographic maps and a summary ice retreat map outline the history of advance, retreat, and readvances of the Laurentide Ice Sheet along with associated changes in proglacial drainage and relative sea level oscillations for Late Wisconsinan and Holocene times. The text outlines pertinent chronological control and discusses the paleoglaciology of the ice sheet, with attention to location and migration of ice divides, their attendant domes and saddles, and to ice streams, ice shelves, and mechanisms of déglaciation. At 18 ka the ice sheet consisted of 3 sectors with an interlocked system of ice divides joined at intersector saddles. A throughgoing superdivide is recognized and named the Trans Laurentide Ice Divide. The ice sheet retreated slowly from 18 to 13 ka, mainly along the west and south margins, but still held a near maximum configuration at 13 ka. A regional change in flow pattern over the Prairies just before 14 ka is thought to represent a large reduction in ice volume, but not in extent, and likely was triggered by a switch from nondeforming to deforming bed conditions. Retreat between 13 and 8 ka was vastly more rapid in the west than in the east, which resulted in eastward migration of the divide system of Keewatin Ice but relatively static divides of Labrador and Foxe Ice. By 10 ka the Trans Laurentide Ice Divide had been fragmented as Hudson Ice became increasingly autonomous. By 8 ka Hudson Ice had disappeared, little ice was left in Keewatin, but Foxe Ice still held its near maximum configuration and Labrador Ice was still larger than Foxe Ice. Repeated surging along aquatic margins and calving back of margins thinned by surging probably was the most important mechanism of deglaciation of Keewatin and Hudson Ice. The core of Foxe Ice disintegrated at 7 ka but retreat and readvance of Foxe Ice remnants continued throughout the Holocene.Onze cartes paléogéographiques et une carte sommaire du retrait glaciaire retracent l'évolution de la calotte glaciaire ainsi que les changements relatifs au drainage proglaciaire et aux fluctuations du niveau de la mer pendant le Wisconsinien supérieur et l'Holocène. Le texte fait ressortir les données chronologiques appropriés et étudie la paléoglaciologie de l'inlandsis, en mettant l'accent sur la localisation et le déplacement de la ligne de partage des glaces, des dômes et des cols satellites, ainsi que des langues glaciaires, des plates-formes de glace flottante et des mécanismes de la déglaciation. À 18 ka, l'inlandsis est composé de trois secteurs avec un système emboîté de lignes de partage des glaces. Une grande ligne de partage, « la ligne de partage des glaces translaurentidiennes », traverse le système. L'inlandsis se retire lentement de 18 à 13 ka, surtout le long les marges ouest et sud, mais à 13 ka sa configuration reste à peu près inchangée. On croit qu'une modification du régime de l'écoulement glaciaire survenue dans la Prairie un peu avant 14 ka est à l'origine d'une réduction sensible du volume de glace, mais pas de l'étendue. Entre 13 et 8 ka, le retrait glaciaire, beaucoup plus rapide à l'ouest qu'à l'est, se manifeste par le déplacement vers l'est du système de partage des glaces au Keewatin et par la relative stabilité de la ligne de partage entre les glaciers du Labrador et de Foxe. À 10 ka, la ligne de partage translaurentidienne est morcelée et le glacier d'Hudson gagne son autonomie. Vers 8 ka, le glacier d'Hudson est disparu, il ne reste à peu près plus de glace au Keewatin, mais le glacier de Foxe conserve sa configuration et le glacier du Labrador est encore plus étendu que le glacier de Foxe. Les crues glaciaires répétées le long des marges marines et le vêlage des marges ont probablement constitué les processus de déglaciation les plus importants au Keewatin et en Hudsonie. Le coeur du glacier de Foxe est dissous à 7 ka, mais retraits et récurrences des vestiges du glacier de Foxe se poursuivent tout au long de l'Holocène.EIf paleogeographische Karten und eine zusammenfassende Karte des Eisrückzugs skizzieren die Geschichte des Vorsto00DFes, Rückzugs und Rückvorsto00DFes der laurentischen Eisdecke zusammen mit den damit verbundenen Veränderungen in der proglazialen Entwässerung und den Schwankungen des relativen Meeresspiegels für die Zeit des späteren glazialen Wisconsin und des Holozän. Der Text gibt einen Überblick über einschlägige chronologische Kontrolle und behandelt die paleoglaziale Geschichte der Eisdecke, insbesondere in Bezug auf Vorkommen und Verschiebung der Eistrennlinien, der sie begleitenden Dome und Sättel und der Eisströme, Eisbänke und der Enteisungs-Mechanismen. Um 18 ka bestand die Eisdecke aus drei Sektoren mit einem ineinandergreifenden System von Eistrennlinien, die an den Kreuzungssätteln verbunden sind. Eine durchgehende gro00DFe Trennlinie ist deutlich sichtbar und wird die translaurentische Eistrennlinie genannt. Die Eisdecke zog sich zwischen 18 und 13 ka langsam zurück, vorwiegend entlang der West- und Südränder, hatte aber immer noch die fast maximale Ausdehnung um 13 ka. Zwischen 13 und 8 ka war der Rückzug im Westen deutlich schneller als im Osten, was zu einer Ostwärts-Bewegung der Trennlinien des Keewatin-Eises führte, jedoch zu reltiv statischen Trennlinien des Labrador- und Fox-Eises. Um 10 ka hatte sich die translaurentische Eistrennlinie zerstückelt während das Hudson-Eis zunehmend selbständig wurde. Um 8 ka war das Hudson-Eis verschwunden, nur wenig Eis war im Keewatin übriggeblieben während das Fox-Eis immer noch seine fast maximale Ausdehnung hatte und das Labrador-Eis immer noch ausgedehnter war als das Fox-Eis. Wiederholtes Anschwellen entlang der Küsten und Rück-kalben der ausgedünnten Eisränder war wohl der wichtigste Enteisungsvorgang des Keewatin- und Hudson-Eises. Der Kern des Fox-Eises zersetzte sich um 7 ka, aber Rückzug und Vorsto00DF der Fox-Eisreste setzte sich durch das Holozän fort

Dynamics and efficiency of a self-propelled, diffusiophoretic swimmer

Active diffusiophoresis - swimming through interaction with a self-generated, neutral, solute gradient - is a paradigm for autonomous motion at the micrometer scale. We study this propulsion mechanism within a linear response theory. Firstly, we consider several aspects relating to the dynamics of the swimming particle. We extend established analytical formulae to describe small swimmers, which interact with their environment on a finite lengthscale. Solute convection is also taken into account. Modeling of the chemical reaction reveals a coupling between the angular distribution of reactivity on the swimmer and the concentration field. This effect, which we term "reaction induced concentration distortion", strongly influences the particle speed. Building on these insights, we employ irreversible, linear thermodynamics to formulate an energy balance. This approach highlights the importance of solute convection for a consistent treatment of the energetics. The efficiency of swimming is calculated numerically and approximated analytically. Finally, we define an efficiency of transport for swimmers which are moving in random directions. It is shown that this efficiency scales as the inverse of the macroscopic distance over which transport is to occur.Comment: 16 pages, 11 figure

Stratigraphy and Paleoecology of Quaternary Sediments Along Pasley River, Boothia Peninsula, Central Canadian Arctic

Quaternary sediments exposed along Pasley River consist of a lower marine deltaic sand overlain in succession by complexly interbedded tills and glaciomarine sediments (the lower glacigenic assemblage), by a mid-section fluvial gravel, by an upper marine deltaic sand, and by glaciomarine sediment and till (the upper glacigenic assemblage). The midsection fluvial gravels contain plant and insect fossils indicating a climate as warm as and perhaps warmer than present. The top of the gravel is more than 55 000 years old ; the unit is probably of Sangamonian age (>75 000 ka) and separates Wisconsinan from lllinoian glacial deposits. The deltaic sands that underlie both glacigenic assemblages indicate substantial crustal depression during glacial buildup episodes prior to arrival of ice at the site. This implies that the process of buildup was slow and involved glacier expansion into major marine basins. Glaciomarine beds of the lower glacigenic assemblage locally contain abundant detrital terrestrial organic material as well as marine molluscs. The terrestrial organic detritus, an unusual constituent of glaciomarine sediment, is thought to have been released into the sea from glacier ice. These terrestrial fossil asemblages exhibit compositional differences which vary with the sediment faciès and probably reflect taphonomic factors such as differential buoyancy of the fossils. The upper marine deltaic sands contain some "old " rebedded plant detritus and amber indicating a nearby source of Tertiary sediment, possibly equivalent in age to the Beaufort Formation. Other rebedded fossils from the upper deltaic unit may be the same age as the mid-section fluvial gravels.Les berges de la rivière Pasley montrent des séquences de sédiments quaternaires qui comprennent de la base vers le sommet : un sable marin d'origine deltaïque, un ensemble complexe de couches de till interstratifiées avec des sédiments glaciomarins (assemblage inférieure de sédiments glacigéniques), un gravier fluviatile vers le milieu, un sable deltaïque marin supérieur et, au sommet, des sédiments glaciomarins et du till (assemblage supérieur de sédiments glacigéniques). Le gravier fluviatile dont la partie supérieure a été datée à plus de 55 000 ans contient des fossiles de plantes et d'insectes indicateurs d'un climat aussi chaud ou plus chaud que celui d'aujourd'hui. Cette unité date probablement du Sangamonien (> 75 000 BP) et sépare les dépôts glaciaires du Wisconsinien de ceux de !'Illinois. Les sables deltaïques à la base des deux assemblages glacigéniques signalent qu'un affaissement important de la croûte terrestres, lié à un épisode de croissance glaciaire, s'est produit avant l'arrivée du glacier. Les couches des dépôts glaciomarins de l'assemblage glacigénique inférieur renferment parfois d'abondants débris organiques d'origine terrestre et des mollusques marins. Le matériel d'origine terrestre, une composante inhabituelle des sédiments glaciomarins, représente probablement un apport direct du glacier à la mer. Les différentes compositions de ces assemblages de fossiles terrestres sont liées au changement de faciès des sédiments et sont le reflet de facteurs taphonomiques comme la différence d'apesanteur entre les fossiles. Le sable marin deltaïque supérieur contient d'anciens débris de plantes et de l'ambre restratifiés, un indice d'une source proche de sédiments tertiaires, probablement d'un âge comparable à celui de la Formation de Beaufort.Die entlang dem PasIey-FluB freiliegenden Quartàr-Sedimente bestehen aus einer unteren marinen Delta-Sandschicht, ùberlagert von einer Folge von komplex geschichteten Tills und glaziomarinen Sedimenten (die untere glazigenen Ablagerung), aus einer mittleren FluBKies-Schicht, einer hôheren marinen Delta-Sandschicht und einem glaziomarinen Sediment und Till (die obère glazigene Ablagerung). Der FluBkies der mittleren Schicht enthâlt Pflanzen- und Insektenfossile, welche auf ein ebenso warmes oder vielleicht sogar wârmeres Klima als gegenwârtig hinweisen. Der obère Teil der Kiesschicht ist mehr als 55000 Jahre ait, dièse Schicht stammt môglicherweise aus dem Sangamon (alter als 75 000 ka) und trennt Ablagerungen aus dem Wisconsin von den glazialen Ablagerungen des Illinois. Der Delta-Sand, der unter beiden glazigenen Schichtungen liegt, IaBt auf bedeutende Krustensenkungen wàhrend der glazialen Aufbauphase schlieBen, vor dem Auftreten von Eis an dieser Stelle. Das bedeutet, daB der ProzeB des Aufbaus langsam war und mit Gletscher-Ausdehnung in grôBere marine Becken verbunden war. Die glaziomarinen Betten der unteren glazigenen Schichtung enthalten ôrtlich umfangreiches organisches Erdgerôllmaterial sowie marine Weichtiere. Das organische Erdgerôll, ein ungewôhnlicher Bestandteil glaziomariner Sedimente, soil vom Gletscher-Eis in das Meer geschoben worden sein. Dièse Erdfossilschichtungen zeigen Unterschiede in der Zusammensetzung, von einer zur anderen Sediment-Fazies und spiegeln môglicherweise taphonomische Faktoren, wie unterschiede in der Tragfàhigkeit der Fossile. Der obère marine Delta-Sand enthâlt einige "alte" neugeschichtete Pflanzenpartikel und Bernstein, was auf eine nahegelegene Quelle tertiâren Sediments hinweist, die vermutlich ebenso alt ist wie die Beaufort-Formation

Phase II of the ASCE Benchmark Study on SHM

The task group on structural health monitoring of the Dynamic Committee of ASCE was formed in 1999 at the 12 th Engineering Mechanics Conference. The task group has designed a number of analytical studies on a benchmark structure and there are plans to follow these with an experimental program. The first phase of the analytical studies was completed in 2001. The second phase, initiated in the summer of 2001, was formulated in the light of the experience gained on phase I and focuses on increasing realism in the simulation of the discrepancies between the actual structure and the mathematical model used in the analysis. This paper describes the rational that lead the SHM task group to the definition of phase II and presents the details of the cases that are being considered