Application of the inhomogeneous Lippmann-Schwinger equation to inverse scattering problems

In this paper we present a hybrid approach to numerically solve two-dimensional electromagnetic inverse scattering problems, whereby the unknown scatterer is hosted by a possibly inhomogeneous background. The approach is `hybrid' in that it merges a qualitative and a quantitative method to optimize the way of exploiting the a priori information on the background within the inversion procedure, thus improving the quality of the reconstruction and reducing the data amount necessary for a satisfactory result. In the qualitative step, this a priori knowledge is utilized to implement the linear sampling method in its near-field formulation for an inhomogeneous background, in order to identify the region where the scatterer is located. On the other hand, the same a priori information is also encoded in the quantitative step by extending and applying the contrast source inversion method to what we call the `inhomogeneous Lippmann-Schwinger equation': the latter is a generalization of the classical Lippmann-Schwinger equation to the case of an inhomogeneous background, and in our paper is deduced from the differential formulation of the direct scattering problem to provide the reconstruction algorithm with an appropriate theoretical basis. Then, the point values of the refractive index are computed only in the region identified by the linear sampling method at the previous step. The effectiveness of this hybrid approach is supported by numerical simulations presented at the end of the paper.Comment: accepted in SIAM Journal on Applied Mathematic

Low-frequency harmonic perturbations drive protein conformational changes

Protein dynamics has been investigated since almost half a century, as it is believed to constitute the fundamental connection between structure and function. Elastic network models (ENMs) have been widely used to predict protein dynamics, flexibility and the biological mechanism, from which remarkable results have been found regarding the prediction of protein conformational changes. Starting from the knowledge of the reference structure only, these conformational changes have been usually predicted either by looking at the individual mode shapes of vibrations (i.e., by considering the free vibrations of the ENM) or by applying static perturbations to the protein network (i.e., by considering a linear response theory). In this paper, we put together the two previous approaches and evaluate the complete protein response under the application of dynamic perturbations. Harmonic forces with random directions are applied to the protein ENM, which are meant to simulate the single frequency-dependent components of the collisions of the surrounding particles, and the protein response is computed by solving the dynamic equations in the underdamped regime, where mass, viscous damping and elastic stiffness contributions are explicitly taken into account. The obtained motion is investigated both in the coordinate space and in the sub-space of principal components (PCs). The results show that the application of perturbations in the low-frequency range is able to drive the protein conformational change, leading to remarkably high values of direction similarity. Eventually, this suggests that protein conformational change might be triggered by external collisions and favored by the inherent low-frequency dynamics of the protein structure

Effect of local stiffeners and warping constraints on the buckling of symmetric open thin-walled beams with high warping stiffness

Local stiffeners affect the behaviour of thin-walled beams (TWBs). An in-house code based on a one-dimensional model proved effective in several instances of compressive buckling of TWBs but gave counterintuitive results for locally stiffened TWBs. To clarify the matter, we investigated TWBs with multi-symmetric double I cross-section, widely used in practical applications where high bending stiffness is required. Several samples were manufactured and stiffened on purpose, closing them over a small portion of the axis at different places. The samples were tested with end constraints accounting for various warping conditions. The experimental and numerical outputs from a commercial FEM code gave a key to overcome the unexpected results by the in-house code, paving the way for further studies

High-energy optical transitions and optical constants of CH3_3NH3_3PbI3_3 measured by spectroscopic ellipsometry and spectrophotometry

Optoelectronics based on metal halide perovskites (MHPs) have shown substantial promise, following more than a decade of research. For prime routes of commercialization such as tandem solar cells, optical modeling is essential for engineering device architectures, which requires accurate optical data for the materials utilized. Additionally, a comprehensive understanding of the fundamental material properties is vital for simulating the operation of devices for design purposes. In this article, we use variable angle spectroscopic ellipsometry (SE) to determine the optical constants of CH$_3$NH$_3$PbI$_3$ (MAPbI$_3$) thin films over a photon energy range of 0.73 to 6.45 eV. We successfully model the ellipsometric data using six Tauc-Lorentz oscillators for three different incident angles. Following this, we use critical-point analysis of the complex dielectric constant to identify the well-known transitions at 1.58, 2.49, 3.36 eV, but also additional transitions at 4.63 and 5.88 eV, which are observed in both SE and spectrophotometry measurements. This work provides important information relating to optical transitions and band structure of MAPbI$_3$, which can assist in the development of potential applications of the material.Comment: 18 pages, 4 figure

Determination of the Acceleration Region Size in a Loop-structured Solar Flare

In order to study the acceleration and propagation of bremsstrahlung-producing electrons in solar flares, we analyze the evolution of the flare loop size with respect to energy at a variety of times. A GOES M3.7 loop-structured flare starting around 23:55 on 2002 April 14 is studied in detail using \textit{Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager} (\textit{RHESSI}) observations. We construct photon and mean-electron-flux maps in 2-keV energy bins by processing observationally-deduced photon and electron visibilities, respectively, through several image-processing methods: a visibility-based forward-fit (FWD) algorithm, a maximum entropy (MEM) procedure and the uv-smooth (UVS) approach. We estimate the sizes of elongated flares (i.e., the length and width of flaring loops) by calculating the second normalized moments of the intensity in any given map. Employing a collisional model with an extended acceleration region, we fit the loop lengths as a function of energy in both the photon and electron domains. The resulting fitting parameters allow us to estimate the extent of the acceleration region which is between $\sim 13 \rm{arcsec}$ and $\sim 19 \rm{arcsec}$. Both forward-fit and uv-smooth algorithms provide substantially similar results with a systematically better fit in the electron domain.The consistency of the estimates from these methods provides strong support that the model can reliably determine geometric parameters of the acceleration region. The acceleration region is estimated to be a substantial fraction ($\sim 1/2$) of the loop extent, indicating that this dense flaring loop incorporates both acceleration and transport of electrons, with concurrent thick-target bremsstrahlung emission.Comment: 8 pages, 5 figures, accepted to Astronomy and Astrophysics journa

Electron-Electron Bremsstrahlung Emission and the Inference of Electron Flux Spectra in Solar Flares

Although both electron-ion and electron-electron bremsstrahlung contribute to the hard X-ray emission from solar flares, the latter is normally ignored. Such an omission is not justified at electron (and photon) energies above $\sim 300$ keV, and inclusion of the additional electron-electron bremsstrahlung in general makes the electron spectrum required to produce a given hard X-ray spectrum steeper at high energies. Unlike electron-ion bremsstrahlung, electron-electron bremsstrahlung cannot produce photons of all energies up to the maximum electron energy involved. The maximum possible photon energy depends on the angle between the direction of the emitting electron and the emitted photon, and this suggests a diagnostic for an upper cutoff energy and/or for the degree of beaming of the accelerated electrons. We analyze the large event of January 17, 2005 observed by RHESSI and show that the upward break around 400 keV in the observed hard X-ray spectrum is naturally accounted for by the inclusion of electron-electron bremsstrahlung. Indeed, the mean source electron spectrum recovered through a regularized inversion of the hard X-ray spectrum, using a cross-section that includes both electron-ion and electron-electron terms, has a relatively constant spectral index $\delta$ over the range from electron kinetic energy $E = 200$ keV to $E = 1$ MeV. However, the level of detail discernible in the recovered electron spectrum is not sufficient to determine whether or not any upper cutoff energy exists.Comment: 7 pages, 5 figures, submitted to Astrophysical Journa

Glucose-6-phosphate tips the balance in modulating apoptosis in cerebellar granule cells

AbstractA metabolic shift from oxidative phosphorylation to glycolysis (i.e. the Warburg effect) occurs in Alzheimer’s disease accompanied by an increase of both activity and level of HK-I. The findings reported here demonstrate that in the early phase of apoptosis VDAC1 activity, but not its protein level, progressively decreases, in concomitance with the physical interaction of HK-I with VDAC1. In the late phase of apoptosis, glucose-6-phosphate accumulation in the cell causes the dissociation of the two proteins, the re-opening of the channel and the recovery of VDAC1 function, resulting in a reawakening of the mitochondrial function, thus inevitably leading to cell death

First INGV BBOBS campaign in the Ionian sea: crustal velocity model inferred from seismic data recorded

In May 2007, within the monitoring activities carried out in cooperation with the Italian National Civil Protection Department (DPC), and within the European project NERIES (activity NA6), the Gibilmanna OBS Lab of the INGV has deployed three Broad Band Ocean Bottom Seismometers (BBOBS) in the southern Ionian Sea at 3500-4000 meters of depth. The BBOBS deployed were equipped with a Nanometrics Trillium 120P seismometer and a Cox-Webb 500s-2 Hz Differential Pressure Gauge (DPG). A 21 bits four channel digitizer (SEND Geolon MLS) recorded data at 100 sps. During the nine months of the experiment, the OBS’s array recorded more than 400 events: about 90 are teleseismic events, more than 200 are regional events also recorded by the seismic networks onshore, finally more than 100 events were not recorded by any seismic networks on land. We used both the regional and teleseismic events recorded by seismometer and DPG to construct a simple velocity model for the Ionian crust. Teleseismic receiver function were computed from high s/n teleseismic records and dispersion curves were extracted for Rayleigh wave recorded. We inverted both the receiver function and Rayleigh dispersion curves data-set to constrain a 1D S-velocity model for the Ionian crust. Moreover a minimum 1‐D velocity P‐wave model is estimated by inversion of the first P-wave arrivals time of the regional events

Progetto NERIES: analisi preliminare dei dati della prima campagna OBS nello Ionio meridionale

La definizione di un modello crostale per l’area dello Ionio è di fondamentale importanza per la comprensione dell’evoluzione geodinamica del Mediterraneo. Anche se quasi tutti gli autori concordano nel ritenere la crosta del Mar Ionio assimilabile a una crosta oceanica matura (De Voogd et al., 1992, Catalano et al., 2001; Finetti e Del Ben, 2005; Argnani, 2005), esistono tuttavia ipotesi alternative (Farrugia and Panza, 1981; Ismail-Zadeh et al., 1998..) e rimangono da chiarire alcuni aspetti di questa struttura litosferica. L’area ionica è una delle regioni del Mediterraneo con maggiore attività sismica, in passato interessata da numerosi eventi di elevata intensità seguiti a volte da tsunami (Vannucci et al., 2004; Tinti et al. 2004). L’attività sismica è in gran parte localizzata lungo gli archi Ellenico, Egeo e Calabro, la Sicilia orientale e la scarpata Ibleo-Maltese. La sismicità del bacino ionico è in parte sconosciuta a causa della mancanza di stazioni sismiche sottomarine offshore. Per lo stesso motivo attualmente non esiste per l’area in esame alcuna tomografia sismica passiva con adeguata risoluzione. Per meglio caratterizzare la sismicità dello Ionio e raccogliere una quantità di dati sufficiente a costruire un robusto modello di velocità, nel maggio 2007, nell’ambito delle attività di monitoraggio realizzate in collaborazione con il Dipartimento di Protezione Civile (DPC) e in seno al progetto europeo NERIES (attività NA6), l’OBS Lab di Gibilmanna del Centro Nazionale Terremoti dell’INGV, ha deposto tre Ocean Bottom Seismometers (OBS) nello Ionio meridionale a profondità comprese tra 3500- 4000m. Gli strumenti deposti sono stati realizzati presso l’Osservatorio di Gibilmanna e sono stati equipaggiati con sismometri Nanometrics Trillium 120P installati su basi autolivellanti della Nautilus e con sensori di pressione differenziali (DPG) con banda passante compresa tra 200s e 2Hz. I segnali provenienti dai due sensori sono sti acquisiti da un data logger a 21 bit (SEND Geolon MLS) ad una frequenza di campionamento di 100Hz Gli OBS A1 e A3 sono stati recuperati con successo il 2 febbraio 2008 mentre l’OBS A2 è stato recuperato il 15 marzo 2008 ed è stato sostituito da un altro OBS per completare il monitoraggio di lunga durata (sino a maggio 2010) previsto dal progetto NERIES. L’array di OBS ha registrato per nove mesi i segnali sismici dal fondo dello Ionio. Mentre per l’OBS A1 sia il DPG che il sismometro hanno funzionato correttamente, per gli OBS A2 e A3, a causa di problemi nel livellamento dei sensori sismici e alla loro bassa tolleranza del tilt dinamico di appena +- 0.2°, i dati provenienti dai sismometri sono risultati inutilizzabili. Durante l’esperimento l’array di OBS ha registrato oltre 450 eventi: sono stati individuati circa 90 telesismi, 250 eventi regionali registrati anche dalle reti sismiche a terra e oltre 100 eventi non localizzati. La Fig. 2 mostra la distribuzione degli epicentri dei telesismi e degli eventi regionali. Gli eventi sono stati localizzati dall’INGV, dall’EMSC, dall’USGS e dalla rete sismica nazionale greca e riportati nei rispettivi bollettini sismici. La Fig. 3 mostra l’evento sismico del 12 settembre 2007 con epicentro a Sumatra di Ms = 8.5. Sui sismogrammi sono facilmente individuabili diverse fasi di onde di volume e di superficie sia sul segnale di pressione che sui segnali di velocità. Per un’accurata localizzazione degli eventi locali è necessaria la conoscenza di un modello ottimale di velocità delle onde P ed S per l’area in esame. Per definire un modello 1D di velocità delle onde P per l’area ionica, abbiamo invertito i tempi di arrivo delle prime fasi P degli eventi regionali registrati. Dell’intero dataset sono stati scelti solamente gli eventi con RMS di residuo inferiore a 0.3s e errore di localizzazione standard minore di 3.0 km. Sulla base delle informazioni attualmente disponibili per l’area del bacino ionico e delle aree circostanti, sono stati inoltre scartati gli eventi con ipocentro superficiale in aree intensamente deformate; per queste aree sono state selezionati solo gli eventi con profondità ipocentrale superiore a 20 km. Il dataset finale è composto da 67 eventi regionali con un totale di 175 fasi P individuate. Il problema diretto di tracciamento del raggio dalla sorgente alla stazione è stato risolto in maniera analitica per i raggi rifratti e tramite il metodo dello “shooting” per le onde dirette. Nella soluzione del problema diretto è stata considerata anche la profondità delle stazioni. Generalmente nell’identificazione di un modello 1D di velocità ottimale sono invertiti simultaneamente sia i parametri ipocentrali che i parametri del modello crostale utilizzando un “misfit” globale come misura della bontà dell’inversione. Tuttavia, poiché gli eventi regionali sono stati localizzati da stazioni a terra, sono stati invertiti solo i parametri del modello di velocità. Dato che il problema inverso è di natura non lineare, la soluzione è stata ottenuta iterativamente. Fattore critico nel processo di inversione è la scelta di un adeguato modello iniziale di velocità. Il modello iniziale utilizzato nell’inversione è quello proposto da Finetti e Del Ben (2005). Questo modello crostale è costituto da 6 strati su crosta oceanica a profondità di 13.7 km. Nella procedura di inversione abbiamo fissato solamente il numero di strati e invertito la velocità e gli spessori. Il modello 1D di velocità delle onde S è stato ottenuto applicando due metodologie di indagine geofisica complementari: l'inversione delle curve di dispersione delle onde di superficie e delle receiver function. Le curve di dispersione sono state ottenute tramite l’analisi FTAN (Dziewonski et al., 1969) e invertite imponendo lo stesso numero di strati del modello di velocità delle onde P. I risultati ottenuti sono stati comparati con i modelli ricavati da un'inversione indipendente delle Receiver Function telesismiche ottenute per la stazione A1. L’inversione congiunta dei tempi di viaggio e delle curve di dispersione ha permesso di definire un unico modello 1D di velocità. Tale modello sarà utilizzato per localizzare gli eventi locali. Il modello ottenuto e i risultati della localizzazione saranno esposti durante il convegno