Hópelyhek olvadásának számítógépes modellezése

A hétköznapi életünket könnyen megzavarhatja egy nem várt csapadékos időjárás, talán ezért is a csapadék intenzitása és halmazállapota az időjárás-előrejelzés egyik legfontosabb eleme. Nagy térségre, durvább térbeli felbontással készített prognózis esetén a csapadék megjelenésének valószínűsége viszonylag pontosan megadható. Jóval nehezebb az előrejelzés, ha jobb térbeli felbontással kívánunk előrejelzést készíteni, hiszen – például a nyári záporok esetén – a kis skálájú folyamatokról (pl. felszíni párolgás) jóval kevesebb információ áll rendelkezésre. A csapadék térbeli eloszlása mellett a halmazállapotának meghatározása is fontos feladat. A nyári záporokból hulló jégeső kialakulása és méretének előrejelzése – a mezőgazdaságban okozott károk miatt – már régóta kutatott téma (Geresdi et al., 2014; Csirmaz, 2015)

Nanovezetékeken alapuló áramkörök gyártása és kvantum effektusainak elektron transzport vizsgálata = Fabrication and Electron Transport Study of Nanowire based Quantum Devices

Az anyagtudomány fejlődésének köszönhetően számos nanoméretű objektum létrehozására nyílik mód napjainkban, ilyenek például a félvezető nanopálcák (NW). Kis méretük miatt ezek a NW-k nagyon ígéretesek kvantum elektronikai célokra. Kvantum elektronika a modern szilárdtestfizika dinamikusan fejlődő területe, melynek fő célja elektromos áramkörök kvantum mechanikai szabadsági fokainak kontrollálása és kiolvasása, mint amilyen egy mesterséges atomba (QD) zárt elektron spinje. Jelen projektben nanoméretű áramkörök készítésére és kvantum effektusainak alacsony hőmérsékleti vizsgálatára alkalmas infrastruktúrát építettünk ki. Vizsgáltuk InAs NW-kból és szupravezető (S) ill. ferromágneses (F) elektródák kombinációjából készített áramköröket. InAs NW-ban kialakított dupla kvantum dotot szupravezetőhöz csatolva megmutattuk, hogy Cooper- párokat lehet térben szeparálni, ami megnyitja az utat mobil elektronokból álló Einstein Podolsky Rosen párok keltésére és összefonódottságuk tanulmányozására. Másrészről, ha F vezetéket kapcsolunk InAs NW-ban kialakított QD-hoz, akkor a ferromágnesség lokális kicserélődési téret kelt a mesterséges atomon. Megmutattuk, hogy ez a tér erősen függ a QD töltés állapotától. Sőt a tér még előjelet is válthat ugyanazon töltés állapotban, lehetővé téve az alap állapot spinjének megfordítását kapu feszültség segítségével. Megmutattuk, hogy egy ilyen F-QD rendszer hatékony spin áram erősítőként tud funkcionálni. | Recent development in material science allowed the synthesis of various nanoscale objects, like semiconductor nanowires (NW). Due to their small size, these NWs are very attractive for quantum electronic purpose. Quantum electronics is a dynamically progressing field of modern solid state physics, where the central goal is to manipulate and read out quantum mechanical degrees of freedom of circuits, like the spin of an electron trapped into a quantum dot (QD). In the present project the fabrication and transport characterization infrastructure have been established, which allows the production of nanocircuits and exploring their quantum effects in cryogenic measurements. We have investigated various InAs NW based electric circuits, where superconducting (S) and ferromagnetic (F) leads were attached to the wire. Coupling S lead to NW based double QD system, we have demonstrated, that Cooper pairs can be separated, which opens the way for Einstein Podolsky Rosen pair generation and entanglement analysis of mobile electrons. On the other hand attaching F lead to a QD, ferromagnetism penetrates into the dot inducing a local exchange field. We have shown that this exchange field strongly depends on the charge state of the QD. Furthermore it can even change sign for the same state, which allows the spin reversal of the ground state of the QD by gate voltage. We have shown that such an F- quantum dot system act as an efficient spin current amplifier

Spin polarizáció nanoszerkezetekben = Spin polarization in nanostructures

A projekt keretében spin-polarizációs jelenségeket tanulmányoztunk Andrejev- és MOKE-spektroszkópiával. Saját építésű berendezéssel különböző ferromágneses anyagokban maghatároztuk a vezetési elektronok spin-polarizációjának értékét. Új eljárást dolgoztunk ki a spin-diffúziós hossz hőmérsékletfüggésének és telítési értékének meghatározására, működését modellkísérletekben demonstráltuk. A spintronikai alkalmazások szempontjából ígéretes anyagok széles körét tanulmányoztuk MOKE spektroszkópiával. Vizsgáltuk a szupravezető-fém határátmenet mezoszkópikus transzportjelenségeit, és megmutattuk, hogy a diffúzív tartomány fáziskoherens térfogatának növekedésével proximity-szupravezetés jön létre. Részletesen tanulmányoztuk az ionos vezetéstől származó ún. memrisztor jelenséget Ag-S felületi rétegen létrehozott kontaktusokban. A 3-5 nm mérettartományban kialakított kontaktusokban extrém nagy áramsűrűségnél rezisztív kapcsolási jelenséget figyeltünk meg. Elsőként állítottunk elő fémes tulajdonságú ionos nano-kapcsolókat, melyekről megmutattuk, hogy mindkét állapotában közel ballisztikus vezetés valósul meg, és nagysebességű kapcsolásra alkalmas ( <10 ns). A projekt keretében összesen 15 publikáció készült. Nívós nemzetközi folyóiratokban jelent meg 12 publikáció, impakt faktor összegük: 64.485. A fémes Ag-S memrisztor kapcsolókra vonatkozó legújabb eredmények a Material Research Society 2011-es konferenciáján kerültek bemutatásra. | In the framework of the project we studied spin polarization phenomena by Andrejev and MOKE spectroscopies. The degree of spin polarization has been determined in different ferromagnetic materials by applying a home made instrument. A new method has been worked out to determine the spin diffusion length, and the applicability was demonstrated by model experiments. A broad variety of materials promising for spintronic applications were studied by MOKE spectroscopy. The mesoscopic transport phenomena of superconductor-metal interface were investigated and the presence of proximity superconduction have been shown to occur with the increase of the volume of the phase coherent diffusive regions. The memristor effect originating form ionic conduction was investigated in details on contacts prepared at the surface layer of Ag-S thin films. Applying contacts in the 3-5 nm range and extremely large current densities allowed to observe the resistive switching phenomenon. We were the first to prepare ionic nano-switches of metallic character and we have shown that close to ballistic conduction is realized in both states of the switch and it is appropriate for high frequency (<10 ns) switching. In the framework of the project 15 publications were prepared. 12 of them appeared in high level international scientific journals, the comulated impact factor is: 64.485

Felhőfizikai folyamatok mezoskálájú modellezése = Numerical simulation of cloud physics in mesoscale processes

I. Mikrofizikai folyamatok számítógépes modellezése Megvizsgáltuk, hogy a sekélyrétegfelhőben lejátszódó csapadékképződést milyen mértékben befolyásolja az aeroszolrészecskék méret szerinti eloszlása és anyagi összetétele, valamint a jégképző részecskék koncentrációja. a) A csapadékképződéshez szükséges idő erősen függ a csapadékképződésben szerepet játszó aeroszolrészecskék (kondenzációs magvak) koncentrációjától. A csapadékképződést nem befolyásolja érdemben az 1 mikrométernél nagyobb óriás kondenzációs magvak jelenléte. b) Az aeroszolrészecskék vízben oldódó részének arányának csökkenése csökkenti az 50 mikrométernél nagyobb vízcseppek kialakulásához szükséges időt. A hatás annál jelentősebb, minél nagyobb az aeroszolrészecsekék koncentrációja. c) A jégképző részecskék koncentrációja hatással van a túlhűlt vízcseppek koncentrációjára. Ez a hatás annál jelentősebb, minél magasabb a vízcseppek koncentrációja. II. A felszín és a felhőfizikai folyamatok kapcsolata Esettanulmány segítségével igazoltuk, hogy a zivatarfelhők szerkezete és a belőlük hulló csapadék mennyisége érzékeny a talaj fizikai féleségére. III. Ultrarövidtávú, 6-12 órás előrejelzések készítése mezoskálájú modell segítségével. Kísérletek végeztünk a radar adatok numerikus modellekbe történő asszimilációjára. Az eredmények azt mutatják, hogy a módszerrel képesek vagyunk kényszeríteni a modellt arra, hogy a konvekciót ott indítsa be, ahol az a radarmérések alapján ténylegesen zajlik, sőt, egy erősebb behatással akár hevesebb eseményeket is gerjeszthetünk a modell állapotterében. | I. Numerical simulation of microphysics. Effect of the size distribution and chemical composition of the aerosol particles on the precipitation development in a shallow layer cloud was investigated. a) The time necessary for the development of the drizzle size drops (> 50 micron) strongly depends on the concentration of the aerosol particles. The precipitation formation is hardly affected by the presence of the giant nuclei (>1 micron). b) The lower water soluble fraction of the aerosol particles results in faster formation of drizzle. The larger the concentration of the aerosol particles is the larger the effect. c) The concentration of the aerosol particles what the ice crystals formed on affects the concentration of the supercooled water drops. This effect was found to be the largest in the case, where the drop concentration was the largest. II. The interaction between cloud physics and processes take place in the ground layer. A cased study was made to prove the effect of the soil type on the structure of the thunderstorms and on the precipitation formation in them. III. Application of the mesoscale model (MM5) for ultra short range forecast. Numerical experiments were made to study the effect of the radar data assimilation on the results of the numerical simulation of thunderstorm formation. It was found, that the assimilation of the radar data improves the accuracy of forecast of thunderstorm formation

Potential areas of flood impoundment in human environments, Bükkösd Valley, SW Hungary

En raison de la suburbanisation et de la diminution des secteurs restés naturels et des surfaces de sols perméables, l’augmentation du ruissellement superficiel et des inondations dites urbaines, déclenchés par les pluies, est souvent à l’origine de pertes non négligeables de biens et peut même menacer des vies humaines. Ces phénomènes sont étudiés dans le bassin-versant du Bükkösd, au sud-ouest de la Hongrie, en utilisant les bases de données concernant la topographie, l’hydrologie de surface et l’utilisation du sol. Les villages de Bükkösd et d’Hetvehely, intégrés dans l’agglomération de Pécs, ont été affectés plusieurs fois par les inondations de la rivière, depuis que l’on dispose d’observations régulières. Pour tenter de réduire les pertes économiques envisageables, l’objectif de cette étude était de mettre au point une méthode rapide de délimitation de l’extension des zones inondables à 1 m, 5 m et 10 m au-dessus du lit de la rivière (cartographie des inondations basée sur la dénivellation, VDBIM). Au total, les zones submergées dans la plaine d’inondation de la rivière Bükkösd couvriraient respectivement 102 ha, 151 ha et 178 ha pour des hauteurs d’eau de 1 m, 5 m et 10 m. En raison de l’étroitesse des vallées en amont du bassin-versant, la surface totale inondable dans ces vallées n’augmente que dans un rapport de 1 à 1,75 quand la hauteur d’eau passe de 1 m à 10 m. Les zones impactées comprennent des quartiers résidentiels, des voies de transport (principalement la voie ferrée), des zones industrielles et des équipements agroalimentaires. Le phénomène d’inondation brutale est une menace sérieuse pour la voie ferrée, axe de transport d’importance stratégique entre Pecs et la capitale.As a consequence of the process of suburbanisation and the decrease of natural landscapes and permeable soil surfaces, rainfall-triggered, increased surface runoff and so-called urban floods are often causes significant loss in human properties and may pose a threat to human lives. Such processes are studied for the Bükkösd Stream catchment, SW Hungary using the topographical, surface water, and land use databases. The villages of Bükkösd and Hetvehely, as part of the Pécs agglomeration, have been impounded by floodwaters several times since regular observations began. To mitigate future economic losses, the objective of the present study was to carry out a rapid method (vertical distance based inundation mapping, VDBIM) to delineate the extent of impounded areas at 1 m, 5 m and 10 m above the actual riverbed. Total inundated areas in the floodplain of the Bükkösd Stream cover 102 ha, 151 ha and 178 ha at water depths of 1 m, 5 m and 10 m, respectively. Due to the narrow valleys in the headwater section of the catchment, the combined area of the flooded valleys was only 1.75 larger at 10-m water depth than at 1-m impoundment. Impounded areas include residential areas, transport routes (primarily the railway), industrial estates, and agricultural and food processing facilities. Flash floods pose a significant threat to railway embankments as this strategic-importance railroad connects Pécs with the national capital