Heating in Nanophotonic Traps for Cold Atoms

Laser-cooled atoms that are trapped and optically interfaced with light in nanophotonic waveguides are a powerful platform for fundamental research in quantum optics as well as for applications in quantum communication and quantum information processing. Ever since the first realization of such a hybrid quantum nanophotonic, heating rates of the atomic motion observed in various experimental settings have typically been exceeding those in comparable free-space optical microtraps by about three orders of magnitude. This excessive heating is a roadblock for the implementation of certain protocols and devices. Its origin has so far remained elusive and, at the typical atom-surface separations of less than an optical wavelength encountered in nanophotonic traps, numerous effects may potentially contribute to atom heating. Here, we theoretically describe the effect of mechanical vibrations of waveguides on guided light fields and provide a general theory of particle-phonon interaction in nanophotonic traps. We test our theory by applying it to the case of laser-cooled cesium atoms in nanofiber-based two-color optical traps. We find excellent quantitative agreement between the predicted heating rates and experimentally measured values. Our theory predicts that, in this setting, the dominant heating process stems from the optomechanical coupling of the optically trapped atoms to the continuum of thermally occupied flexural mechanical modes of the waveguide structure. Beyond unraveling the long-standing riddle of excessive heating in nanofiber-based atom traps, we also study the dependence of the heating rates on the relevant system parameters. Our findings allow us to propose several strategies for minimizing the heating. Finally, our findings are also highly relevant for optomechanics experiments with dielectric nanoparticles that are optically trapped close to nanophotonic waveguides.Comment: Published version. 35 pages (including appendices), 7 figures, 18 tables, and 3 pages of supplemental materia

Computing Diverse Optimal Stable Models

We introduce a comprehensive framework for computing diverse (or similar) solutions to logic programs with preferences. Our framework provides a wide spectrum of complete and incomplete methods for solving this task. Apart from proposing several new methods, it also accommodates existing ones and generalizes them to programs with preferences. Interestingly, this is accomplished by integrating and automating several basic ASP techniques - being of general interest even beyond diversification. The enabling factor of this lies in the recent advance of multi-shot ASP solving that provides us with fine-grained control over reasoning processes and abolishes the need for solver modifications and wrappers that were indispensable in previous approaches. Our framework is implemented as an extension to the ASP-based preference handling system asprin. We use the resulting system asprin 2 for an empirical evaluation of the diversification methods comprised in our framework

Multi-Shot Stream Reasoning in Answer Set Programming: A Preliminary Report

In the past, we presented a first approach for stream reasoning using Answer Set Programming (ASP). At the time, we implemented an exhaustive wrapper for our underlying ASP system, clingo, to enable reasoning over continuous data streams. Nowadays, clingo natively supports multi-shot solving: a technique for processing continuously changing logic programs. In the context of stream reasoning, this allows us to directly implement seamless sliding-window-based reasoning over emerging data. In this paper, we hence present an exhaustive update to our stream reasoning approach that leverages multi-shot solving. We describe the implementation of the stream reasoner's architecture, and illustrate its workflow via job shop scheduling as a running example

Funktionelle und klinische Relevanz von Mutationen des Calcium- Sensing- Receptors

Der Calcium sensing Receptor (CaSR) ist ein gegenüber extrazellulärem Ca2+ sensibler G- Protein gekoppelter Rezeptor, der in allen für die Ca²+/Mg²+- Homöostase entscheidenden Organen des Körpers exprimiert wird. Der CaSR wird durch einen Konzentrationsanstieg von extrazellulärem Ca2+ aktiviert und initialisiert G-Protein vermittelt eine intrazelluläre second messenger Kaskade. Mit dieser intrazellulären Antwort greift der CaSR regulativ auf zwei Ebenen in die Ca²+/Mg²+- Homöostase ein. Erstens wird die Freisetzung von PTH gehemmt und die Sekretion von Calcitonin gefördert. Zweitens wird in der Niere die Rückresorption von Calcium aus dem Ultrafiltrat gehemmt. Wichtig ist in der Regulation der Ca²+/Mg²+- Homöostase durch den CaSR der Punkt (set point), d.h. die Konzentration an extrazellulären Agonisten, bei der die Aktivierung des CaSR einsetzt. Bei Dysfunktion des CaSR kommt die Regulation der Ca²+/Mg²+- Homöostase aus dem Gleichgewicht. Eine erhöhte Sensitivität des CaSR mit erniedrigtem set point führt zu einer Ca²+/Mg²+-Verlustsymptomatik, eine verminderte Sensitivität zu einer Hyperkalziämie. Heute weiß man, dass Mutationen im CaSR- Gen (CASR) zu Dysfunktionen des Rezeptors führen. Bekannt sind aktivierende Mutationen, die zu einer erhöhten Sensitivität des Rezeptors führen und inaktivierende Mutationen, welche mit einer erniedrigten Sensitivität des Rezeptors einhergehen. Drei Erkrankungen sind mit dem CaSR assoziiert, der Hypokalzämische Hypoparathyreoidismus , die Familiäre benigne hypokalziurische Hyperkalziämie und der Neonatale Hyperparathyreoidismus. Die vorliegende Arbeit setzt sich mit angeborenen Ca2+- und Mg2+-Verlusterkrankungen der Niere auseinander. In einem ersten Schritt wurden molekulargenetische Untersuchungen einer Patientengruppe durchgeführt, die alle unter renalen Ca²+/Mg²+-Verlusten litten. Die Patienten wurden aus einem Patientenkollektiv übernommen, bei denen sich der initiale Verdacht der Familiären Hypomagnesiämie mit Hyperkalziurie und Nephrokalzinose (FHHNC) nicht bestätigt hatte. Die Ursache der Ca²+/Mg²+- Verlustsymptomatik der Patienten war also unklar. In der Literatur beschriebene Zusammenhänge zwischen Mutationen im CaSR- Gen und Ca²+/Mg²+- Verlustsymptomen führten zu der Vermutung, dass die Ursache der Symptome in einer Dysfunktion des CaSR infolge einer aktivierenden Mutation liegen könnte. Ziel der Untersuchung war es also, eine aktivierende Mutation im CaSR- Gen dieser Patienten zu finden oder auszuschließen. Von besonderem Interesse schien hierbei die Frage, ob und wie aktivierende Mutationen die Ca²+/Mg²+- Homöostase beeinflussen. So befasst sich die Arbeit im zweiten Abschnitt, nach Anwendung von Mutagenese und der Messverfahren durch die Zwei-Elektroden-Voltage-Clamp Methodik, mit der Beweisführung genotypischer Ursachen für die phänotypischen Symptome der CaSR assoziierten Erkrankungen. Dazu wählten wir aus der Literatur bekannte aktivierende (CaSR E127K, CaSR E127A, CaSR L125P) und inaktivierende (CaSR T138M) Mutationen aus, die mit Hilfe der Mutagenese in Xenopus laevis Oozyten transfiziert wurden. Die transfizierten Xenopus laevis Oozyten wurden nach einer Inkubationszeit steigenden extrazellulären Ca²+- Konzentrationen ausgesetzt und die Auswirkungen mit der Zwei-Elektroden-Voltage-Clamp-Methode erfasst. Während der Messung wurde die Oozyte in der Messkammer ständig mit der jeweils benötigten Lösung umspült. Die Ca2+-Konzentration der CaCl2-Lösungen betrug anfänglich 0,5 mM und steigerte sich bis 10mM. Eine komplette Untersuchung für eine der jeweiligen Mutationen beinhaltete die Messung von mindestens sieben Oozyten in denen der jeweilig klonierte CaSR exprimiert war. Von den Versuchsergebnissen einer Messreihe wurden Mittelwerte bestimmt und statistischen ausgewertet. In der vorliegenden Arbeit konnten zwei Polymorphismen und eine relevante Mutation identifiziert werden. Die zwei unterschiedlichen Polymorphismen (CaSR G990R und CaSR A986S) wurden bei vier verschiedenen Patienten gefunden. Bei der entdeckten Mutation handelt es sich um eine heterozygote neu aufgetretene Substitutionsmutation (CaSR E127K). In der Auswertung der Ergebnisse der Messreihen durch die Zwei-Elektroden-Voltage-Clamp-Methode konnten wir nachweisen, dass die von uns untersuchten aktivierenden Mutationen tatsächlich eine signifikant erhöhte Sensitivität gegenüber extrazellulärem Ca2+ im Vergleich zum Wildtyp hatten. Neben den drei aktivierenden Mutationen konnten wir auch bei der inaktivierenden Mutation CaSR T138M nachweisen, dass der so mutierte CaSR eine signifikant erniedrigte Sensitivität gegenüber extrazellulärem Ca2+ im Vergleich zum Wildtyp aufwies. Eine Dysfunktion der mutierten CaSR- Typen und damit eine krankheitsauslösende Bedeutung der Mutationen im CASR konnte somit nachgewiesen werden

Model Predictive Contouring Control for Time-Optimal Quadrotor Flight

In this article, we tackle the problem of flying time-optimal trajectories through multiple waypoints with quadrotors. State-of-the-art solutions split the problem into a planning task—where a global time-optimal trajectory is generated—and a control task—where this trajectory is accurately tracked. However, at the current state, generating a time-optimal trajectory that considers the full quadrotor model requires solving a difficult time allocation problem via optimization, which is computationally demanding (in the order of minutes or even hours). This is detrimental for replanning in the presence of disturbances. We overcome this issue by solving the time allocation problem and the control problem concurrently via Model Predictive Contouring Control (MPCC). Our MPCC optimally selects the future states of the platform at runtime, while maximizing the progress along the reference path and minimizing the distance to it. We show that, even when tracking simplified trajectories, the proposed MPCC results in a path that approaches the true time-optimal one, and which can be generated in real time. We validate our approach in the real world, where we show that our method outperforms both the current state of the art and a world-class human pilot in terms of lap time achieving speeds of up to 60 km/h

Detección de delaminaciones y otros defectos de unión en productos de acero multicapa Al/Al-Sn/Al llevando a cabo la monitorización con ondas guiadas EMAT

Rayleigh-Lamb, ultrasonic, guided wave modes were used to detect delamination, embedded steel debris and a brittle intermetallic Al-Fe diffusion bond layer at the interface between clad Al and steel, which were bonded together in a cold roll bonding (CRB) process. Multi-layered samples were produced, with artificially implanted defects of different sizes between the clad Al and steel layer to determine the sensitivity of the guided wave modes to qualitatively indicate the occurrence of defects based on signal attenuation caused by defects. Electromagnetic acoustic transducers (EMATs) were used to generate and detect the guided waves in the pitch and catch technique. Signals were measured in the as rolled and post rolling annealed state to determine the influence of the altered material properties on attenuation and Signal-to-Noise Ratio (SNR). Results show very good sensitivity of the S0 wave mode for delamination and embedded steel debris detection and a relation between attenuation, defect type, size and annealing state. However, detection of the presence of a brittle intermetallic Al-Fe diffusion layer was not possible due to the strong sensitivity to the material properties and thicknesses of the clad Al and steel materials. Micro sections of all samples were examined to explain the observations. The results suggest a promising use of Rayleigh-Lamb guided wave modes for online detection of bond defects in serial production of Al-Sn alloy/steel bimetal strips

A Comparative Study of Nonlinear MPC and Differential-Flatness-Based Control for Quadrotor Agile Flight

Accurate trajectory-tracking control for quadrotors is essential for safe navigation in cluttered environments. However, this is challenging in agile flights due to nonlinear dynamics, complex aerodynamic effects, and actuation constraints. In this article, we empirically compare two state-of-the-art control frameworks: the nonlinear-model-predictive controller (NMPC) and the differential-flatness-based controller (DFBC), by tracking a wide variety of agile trajectories at speeds up to 20 m/s (i.e., 72 km/h). The comparisons are performed in both simulation and real-world environments to systematically evaluate both methods from the aspect of tracking accuracy, robustness, and computational efficiency. We show the superiority of the NMPC in tracking dynamically infeasible trajectories, at the cost of higher computation time and risk of numerical convergence issues. For both methods, we also quantitatively study the effect of adding an inner loop controller using the incremental nonlinear dynamic inversion method, and the effect of adding an aerodynamic drag model. Our real-world experiments, performed in one of the world’s largest motion capture systems, demonstrate more than 78% tracking error reduction of both NMPC and DFBC, indicating the necessity of using an inner loop controller and aerodynamic drag model for agile trajectory tracking