Non-equilibrium hysteresis and spin relaxation in the mixed-anisotropy dipolar coupled spin-glass LiHo0.5_{0.5}Er0.5_{0.5}F4_{4}

We present a study of the model spin-glass LiHo$_{0.5}$Er$_{0.5}$F$_4$ using simultaneous AC susceptibility, magnetization and magnetocaloric effect measurements along with small angle neutron scattering (SANS) at sub-Kelvin temperatures. All measured bulk quantities reveal hysteretic behavior when the field is applied along the crystallographic c axis. Furthermore avalanche-like relaxation is observed in a static field after ramping from the zero-field-cooled state up to $200 - 300$ Oe. SANS measurements are employed to track the microscopic spin reconfiguration throughout both the hysteresis loop and the related relaxation. Comparing the SANS data to inhomogeneous mean-field calculations performed on a box of one million unit cells provides a real-space picture of the spin configuration. We discover that the avalanche is being driven by released Zeeman energy, which heats the sample and creates positive feedback, continuing the avalanche. The combination of SANS and mean-field simulations reveal that the conventional distribution of cluster sizes is replaced by one with a depletion of intermediate cluster sizes for much of the hysteresis loop.Comment: 6 pages, 4 figure

Probing strongly hybridized nuclear-electronic states in a model quantum ferromagnet

We present direct local-probe evidence for strongly hybridized nuclear-electronic spin states of an Ising ferromagnet LiHoF4 in a transverse magnetic field. The nuclear-electronic states are addressed via a magnetic resonance in the GHz frequency range using coplanar resonators and a vector network analyzer. The magnetic resonance spectrum is successfully traced over the entire field-temperature phase diagram, which is remarkably well reproduced by mean-field calculations. Our method can be directly applied to a broad class of materials containing rare-earth ions for probing the substantially mixed nature of the nuclear and electronic moments

Dynamic functional connectivity of BOLD fMRI signal during both rest and task execution states

Tese de mestrado integrado em Engenharia Biomédica e Biofísica, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2014A conectividade cerebral é um tema muito atual na área das neurociências. A dinâmica a conectividade tem sido um tema muito explorado ultimamente com o objetivo de se descobrir mais sobre os processos cerebrais relacionados com sinais neuronais em bandas restritas de frequência e ainda compreender as diferenças entre repouso e execução de tarefas. O objetivo principal do presente trabalho consistiu no desenvolvimento de um procedimento para o estudo da conectividade dinâmica baseado na análise da coerência através da Transformada "Wavelet" que proporciona especificidade no tempo e na frequência. A abordagem implementada baseou-se em duas hipóteses diferentes de comunicação neuronal. A primeira considera que dois sinais neuronais oscilatórios comunicam durante períodos de coerência de magnitude elevada e a segunda considera que a comunicação neuronal ocorre em períodos de acoplamento de fase. O uso das duas hipóteses permitiu obter, respectivamente, dois perfis de comunicação neuronal. Uma vez que, as distribuições nulas dos perfis de coerência de magnitude e de acoplamento de fase são desconhecidas, e que os dados provêm de "single-trials" (ou seja, provêm de experiências únicas, sem repetição para um mesmo estado) foi construído um teste estatístico baseado em simulação de dados. A partir deste teste foi possível, para um dado nível de significância, distinguir períodos de comunicação neuronal significativa. Como a interação entre cada par de regiões é analisada através de janelas temporais, ao longo das séries temporais, os períodos de comunicação significativa correspondem a janelas onde há interação. Para os períodos de comunicação significativa foi calculado um valor médio de atraso temporal. A informação obtida a partir do método implementado pode ser expressa sob a forma de matrizes de conectividade funcional para todas as regiões do cérebro e sub-matrizes para regiões pertencentes a redes cerebrais específicas, usando ambas as medidas de comunicação como métricas de conectividade. Este método origina também mapas cerebrais para uma análise baseada numa região de referência onde são apresentados, através de mapas de cores, os valores médios de atrasos temporais entre a região referência e todas as restantes regiões do cérebro, ou para um conjunto mais específico. A partir da análise dos valores médios de atrasos temporais é possível estabelecer uma cronometria da passagem de informação. Se o valor obtido para o atraso temporal entre a região A e a região B é positivo, então, a região A é ativada primeiro e considera-se que precede a região B. A partir deste método é obtida uma análise detalhada entre cada duas regiões cerebrais através da observação dos perfis de interação para as duas hipóteses de comunicação neuronal e pela observação das distribuições de fases e atrasos temporais nas janelas de comunicação. Em relação às distribuições de fase um dos objetivos é conseguir identificar casos em que haja intervalos de fase preferidos para comunicação. A análise dos perfis de coerência de magnitude e acoplamento de fase permitem constatar que há flutuações na comunicação ao longo das várias janelas temporais o que demostra uma dinâmica na conectividade funcional. Para ambos os perfis foi feita uma análise de correlação e de informação mútua. Para todos os casos analisados concluiu-se que há uma forte semelhança entre as medidas de coerência de magnitude e acoplamento de fase ao longo de todas as janelas temporais, com e sem comunicação significativa. Para testar e ilustrar a metodologia desenvolvida utilizou-se um conjunto de dados de três sujeitos, pelo que não há intenção de formalizar conclusões universais sobre a dinâmica de conectividade cerebral. Para todos os sujeitos a análise focou-se numa gama restrita de frequências, centrada nos 0.1 Hz, de forma a estudar a dinâmica da conectividade ao nível das oscilações lentas da resposta BOLD ("Blood Oxygenation Level-Dependent") que é obtida através de Ressonância Magnética funcional. Estas oscilações estão identificadas como características destes sinais, no entanto, a sua origem ainda não foi descoberta, o que causa um grande interesse na sua exploração. Ao nível de significância de 95% os resultados mostram uma forte correlação positiva entre as duas métricas de comunicação utilizadas. Em relação á análise de informação mútua, entre as duas variáveis de comunicação, concluiu-se que ambos os perfis contêm 80% de informação comum. Os dados utilizados consistem num paradigma com aquisição em repouso e durante a execução do movimento de um dedo de forma voluntária e de forma estimulada, através de um estímulo auditivo. As matrizes de conectividade obtidas para os três sujeitos, durante todos os momentos de aquisição, e para as duas medidas de conectividade estudadas, revelam uma maior interação global entre as regiões cerebrais para os momentos de execução de tarefa do que para os momentos de repouso. Ou seja, maiores valores de conectividade funcional, para ambas as variáveis estudadas, entre um maior número de regiões para movimento voluntário e estimulado do que para repouso. Uma análise mais pormenorizada em regiões pertencentes à rede motora frontal-cognitiva e á rede parietal-premotora, ambas associadas ao movimento, mostram interações muito elevadas para ambos os movimentos, em todos os sujeitos analisados. Na análise mais detalhada entre regiões específicas, para dois sujeitos em movimento voluntário, detectou-se que os valores obtidos de fase entre a região motora primária esquerda, SMA, e o cíngulo anterior bem como a insula anterior, estão confinados ao intervalo durante as janelas temporais de comunicação, sugerindo uma preferência nos valores de fase para ambas as hipóteses de comunicação neuronal. Em relação ao estabelecimento da cronometria da passagem de informação entre regiões cerebrais, obteve-se, para todos os sujeitos, que a ínsula é ativada primeiro que o SMA durante as duas aquisições de execução de tarefa. Para dois dos três sujeitos analisados obteve-se, em movimento voluntário, que os gânglios da base, também envolvidos no controlo motor, são ativados antes da área SMA, pelo que a passagem de informação ocorre nesse sentido, como já foi reportado em estudos anteriores. Um tópico muito interessante e que tem sido o centro de muita discussão científica recai sobre a causa dos atrasos temporais em fMRI. O grande foco tem sido sobre estes atrasos se deverem a diferenças hemodinâmicas ou a diferenças neuronais. O método implementado e apresentado neste trabalho não permite uma análise direta sobre este assunto mas, apesar de não fornecer uma forma de distinguir as duas hipóteses, alguns dos resultados obtidos corroboram a hipótese de que os atrasos temporais têm origem neuronal. A obtenção de diferentes latências entre as aquisições em repouso e as aquisições durante a execução de tarefas, de forma voluntária e estimulada, apoiam a hipótese de que os atrasos temporais não se devem apenas a atrasos hemodinâmicos. Se os resultados temporais apenas se devessem a atrasos hemodinâmicos, então, não seriam esperadas diferenças entre os valores obtidos para repouso e execução de tarefa. Também a descoberta de atrasos temporais diferentes entre regiões homólogas, em repouso e tarefa, apoia a ideia da origem neuronal uma vez que, seria esperado que os parâmetros fisiológicos que governam as latências hemodinâmicas fossem comparáveis entre regiões homólogas (e regiões vizinhas), com suplemento arterial e drenagem venosa comum. A partir da metodologia implementada foi possível analisar redes cerebrais relacionadas com repouso, movimento voluntário e movimento estimulado, em termos de períodos de comunicação neuronal e atrasos temporais. Uma vez que, há consistência entre resultados obtidos com a abordagem utilizada e resultados descritos na bibliografia, conclui-se que a metodologia implementada para análise da conectividade funcional foi bem sucedida. Para concluir, de forma a melhorar e complementar o método desenvolvido, outras análises podem ser aplicadas, como uma análise de "clustering" (ou seja, uma análise de agrupamento) de forma a agrupar regiões cerebrais com perfis de comunicação semelhantes ou uma análise de periodicidade para analisar periodicidades nas flutuações dos mesmos perfis. De forma a complementar este método também medidas de conectividade anatómica e efetiva devem ser exploradas.Brain connectivity is a very active topic in neuroscience. The main goal of the present work consisted on the development of a dynamic connectivity procedure based on wavelet coherence analysis which provides time-frequency specificity. The implemented approach was based on two different neuronal communication hypotheses. One considering that two oscillating neural signals communicate during periods of high magnitude coherence and the other considering that neuronal communication occurs during phase locking periods. Using both hypotheses two different profiles of neuronal communication were obtained. To deal with unknown null distributions, for single-trial data, a surrogate- based statistical test was performed to distinguish significant periods of communication. For those periods, an averaged temporal delay was computed. To test and illustrate the developed methodology a three subjects dataset is used including resting, voluntary and stimulus-driven action states. From functional connectivity matrices it is observed higher global interaction for both action conditions than for resting state. During tasks both frontal-cognitive and parietal-premotor networks have high connectivity values. The method also provides brain maps for temporal delays among specific brain regions. From temporal delays, the chronometry of information flow between brain regions and during voluntary action can be established. The most consistent observation is that the basal ganglia leads the SMA. The results show a strong similarity between both neuronal communication hypotheses. Regarding the discussion about neuronal or hemodynamic causes of fMRI temporal delays same latencies differences found between rest and task conditions support the theory that latencies are not due only to hemodynamic delays. In conclusion the implemented methodology provides useful information about neuronal communication and temporal delays. To improve this work other approaches can be applied such as Clustering analysis and Periodicity analysis. To achieve a more comprehensive method also anatomical and effective connectivity measures should be explored

Phase diagram with an enhanced spin-glass region of the mixed Ising-<em>XY</em> magnet LiHo_<em>x</em>Er_1<em>-x</em>F₄

We present the experimental phase diagram of LiHoxEr1 xF4, a dilution series of dipolar coupled model magnets. The phase diagram was determined using a combination of ac susceptibility and neutron scattering. Three unique phases in addition to the Ising ferromagnet LiHoF4 and the XY antiferromagnet LiErF4 have been identified. Below x 0.86, an embedded spin glass phase is observed, where a spin glass exists within the ferromagnetic structure. Below x 0.57, an Ising spin glass is observed consisting of frozen needlelike clusters. For x amp; 8764; 0.3 0.1, an antiferromagnetically coupled spin glass occurs. A reduction of TC x for the ferromagnet is observed which disobeys the mean field predictions that worked for LiHoxY1 xF4

Superconducting phase in the layered dichalcogenide 1T-TaS_{2} upon inhibition of the metal-insulator transition

When a Mott metal-insulator transition is inhibited by a small amount of disorder in the layered dichalcogenide 1T-TaS2, an inhomogeneous superconducting state arises below T=2.1 K and coexists with a nearly commensurate charge-density wave. By angle-resolved photoelectron spectroscopy, we show that it emerges from a bad metal state with strongly damped quasiparticles. Superconductivity is almost entirely suppressed by an external magnetic field of 0.1 T

Low-temperature spin dynamics of a valence bond glass in Ba<sub style="font-size: smaller; vertical-align: baseline; position: relative; top: 0.25em;">2YMoO<sub style="font-size: smaller; vertical-align: baseline; position: relative; top: 0.25em;">6</sub></sub>

We carried out AC magnetic susceptibility measurements and muon spin relaxation spectroscopy on the cubic double perovskite Ba2YMoO6, down to 50 mK. Below ~1 K the muon relaxation is typical of a magnetic insulator with a spin-liquid type ground state, i.e. without broken symmetries or frozen moments. However, the AC susceptibility revealed a dilute-spin-glass like transition below ~ 1 K. Antiferromagnetically coupled Mo5+ 4d1 electrons in triply degenerate t2g orbitals are in this material arranged in a geometrically frustrated fcc lattice. Bulk magnetic susceptibility data has previously been interpreted in terms of a freezing to a heterogeneous state with non-magnetic sites where 4d^1 electrons have paired in spin-singlets dimers, and residual unpaired Mo5+ 4d1 electrons. Based on the magnetic heat capacity data it has been suggested that this heterogeneity is the result of kinetic constraints intrinsic to the physics of the pure system (possibly due to topological overprotection), leading to a self-induced glass of valence bonds between neighbouring 4d1 electrons. The muSR relaxation unambiguously points to a static heterogeneous state with a static arrangement of unpaired electrons isolated by spin-singlet (valence bond) dimers between the majority of Mo5+ 4d electrons. The AC susceptibility data indicate that the residual magnetic moments freeze into a dilute-spin-glass-like state. This is in apparent contradiction with the muon-spin decoupling at 50 mK in fields up to 200 mT, which indicates that, remarkably, the time scale of the field fluctuations from the residual moments is ~ 5 ns. Comparable behaviour has been observed in other geometrically frustrated magnets with spin-liquid-like behaviour and the implications of our observations on Ba2YMoO6 are discussed in this context.Comment: 11 pages, 3 Figures. Published in New Journal of Physic

Classical Conformal Blocks and Accessory Parameters from Isomonodromic Deformations

Classical conformal blocks naturally appear in the large central charge limit of 2D Virasoro conformal blocks. In the $AdS_{3}/CFT_{2}$ correspondence, they are related to classical bulk actions and are used to calculate entanglement entropy and geodesic lengths. In this work, we discuss the identification of classical conformal blocks and the Painlev\'e VI action showing how isomonodromic deformations naturally appear in this context. We recover the accessory parameter expansion of Heun's equation from the isomonodromic $\tau$-function. We also discuss how the $c = 1$ expansion of the $\tau$-function leads to a novel approach to calculate the 4-point classical conformal block.Comment: 32+10 pages, 2 figures; v3: upgraded notation, discussion on moduli space and monodromies, numerical and analytic checks; v2: added refs, fixed emai

Macromolecular Fingerprinting of Sulfolobus Species in Biofilm: A Transcriptomic and Proteomic Approach Combined with Spectroscopic Analysis

Microorganisms in nature often live in surfaceassociated sessile communities, encased in a self-produced matrix, referred to as biofilms. Biofilms have been well studied in bacteria but in a limited way for archaea. We have recently characterized biofilm formation in three closely related hyperthermophilic crenarchaeotes: Sulfolobus acidocaldarius, S. solfataricus, and S. tokodaii. These strains form different communities ranging from simple carpet structures in S. solfataricus to high density tower-like structures in S. acidocaldarius under static condition. Here, we combine spectroscopic, proteomic, and transcriptomic analyses to describe physiological and regulatory features associated with biofilms. Spectroscopic analysis reveals that in comparison to planktonic life-style, biofilm life-style has distinctive influence on the physiology of each Sulfolobus spp. Proteomic and transcriptomic data show that biofilm-forming life-style is strain specific (eg ca. 15% of the S. acidocaldarius genes were differently expressed, S. solfataricus and S. tokodaii had ∼3.4 and ∼1%, respectively). The -omic data showed that regulated ORFs were widely distributed in basic cellular functions, including surface modifications. Several regulated genes are common to biofilm-forming cells in all three species. One of the most striking common response genes include putative Lrs14-like transcriptional regulators, indicating their possible roles as a key regulatory factor in biofilm development

Genomic attributes of airway commensal bacteria and mucosa

Microbial communities at the airway mucosal barrier are conserved and highly ordered, in likelihood reflecting co-evolution with human host factors. Freed of selection to digest nutrients, the airway microbiome underpins cognate management of mucosal immunity and pathogen resistance. We show here the initial results of systematic culture and whole-genome sequencing of the thoracic airway bacteria, identifying 52 novel species amongst 126 organisms that constitute 75% of commensals typically present in heathy individuals. Clinically relevant genes encode antimicrobial synthesis, adhesion and biofilm formation, immune modulation, iron utilisation, nitrous oxide (NO) metabolism and sphingolipid signalling. Using whole-genome content we identify dysbiotic features that may influence asthma and chronic obstructive pulmonary disease. We match isolate gene content to transcripts and metabolites expressed late in airway epithelial differentiation, identifying pathways to sustain host interactions with microbiota. Our results provide a systematic basis for decrypting interactions between commensals, pathogens, and mucosa in lung diseases of global significance