Armchair Janus MoSSe Nanoribbon with Spontaneous Curling: A First-Principles Study

Based on density functional theory, we theoretically investigate the electronic structures of free-standing armchair Janus MoSSe nanoribbons (A-MoSSeNR) with width up to 25.5 nm. The equilibrium structures of nanoribbons with spontaneous curling are obtained by energy minimization in molecular dynamics (MD). The curvature is 0.178 nm−1 regardless of nanoribbon width. Both finite element method and analytical solution based on continuum theory provide qualitatively consistent results for the curling behavior, reflecting that relaxation of intrinsic strain induced by the atomic asymmetry acts as the driving force. The non-edge bandgap of curled A-MoSSeNR reduces faster with the increase of width compared with planar nanoribbons. It can be observed that the real-space wave function at the non-edge VBM is localized in the central region of the curled nanoribbon. When the curvature is larger than 1.0 nm−1, both edge bandgap and non-edge bandgap shrink with the further increase of curvature. Moreover, we explore the spontaneous curling and consequent sewing process of nanoribbon to form nanotube (Z-MoSSeNT) by MD simulations. The spontaneously formed Z-MoSSeNT with 5.6 nm radius possesses the lowest energy. When radius is smaller than 0.9 nm, the bandgap of Z-MoSSeNT drops rapidly as the radius decreases. We expect the theoretical results can help build the foundation for novel nanoscale devices based on Janus TMD nanoribbons.

Observation of higher-order exceptional points in a non-local acoustic metagrating

Higher-order exceptional points have attracted increased attention in recent years due to their enhanced sensitivity and distinct topological features. Here, we show that non-local acoustic metagratings enabling precise and simultaneous control over their multiple orders of diffraction can serve as a robust platform for investigating higher-order exceptional points in free space. The proposed metagratings, not only could advance the fundamental research of arbitrary order exceptional points, but could also empower unconventional free-space wave manipulation for applications related to sensing and extremely asymmetrical wave control.

Μελέτη επιφανειακών και διαρρεόντων ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων διεγειρόμενων σε διατάξεις φορτωμένες με ανισότροπα ή βιολογικά υλικά

H παρούσα εργασία προάγει θέματα αναλυτικών τεχνικών μελέτης μικροκυματικών διατάξεων με ιδιαίτερες εφαρμογές στο μαγνητισμένο πλάσμα στερεάς κατάστασης και κεραιών εμφυτευμένων σε βιολογικούς ιστούς. Όσον αφορά τις μελετώμενες διατάξεις φορτωμένες με μαγνητισμένο πλάσμα, η πρωτοτυπία της εργασίας έγκειται στην διαμόρφωση της αναλυτικής τεχνικής Wiener-Hopf έτσι ώστε να εφαρμόζεται σε ανισότροπα μη-αντιστρεπτά υλικά και έρχεται να συμπληρώσει τις λιγοστές σχετικές εργασίες σε μαγνητισμένους φερρίτες. Η τεχνική Wiener-Hopf που αναπτύχθηκε στα πλαίσια αυτής έρευνας, αξιοποιήθηκε στη συνέχεια στη μελέτη κεραιών εμφυτευμένων στο Ανθρώπινο σώμα. Η δυσκολία στην μελέτη των αντίστοιχων μοντέλων έγκειται στην εξαιρετικά μεγάλη διηλεκτρική τους σταθερά που συνοδεύεται από πολύ μεγάλες απώλειες (συμπεριφορά ηλεκτρολύτη), στοιχεία που οδηγούν τις γνωστές τεχνικές σε αδυναμία περιγραφής των ενυπαρχόντων φαινομένων. Η ιδιαίτερη συνεισφορά της έρευνας αυτής αφορά την ανάδειξη ενός τρόπου-ρυθμού διάδοσης που καθ’ υπέρβαση των καθιερωμένων διαδίδεται σχεδόν ανεπηρέαστος από τα χαρακτηριστικά «ηλεκτρολύτη». Ο ρυθμός αυτός υποστηρίζει έτσι την μετάδοση σήματος και ενέργειας προς τα έξω από την εμφυτευμένη στον Άνθρωπο κεραία και αντίστροφα από μια εξωτερική κεραία προς την εσωτερική κεραία λήψης. Στην εργασία για το σκοπό αυτό υιοθετούμε δύο μοντέλα. Ο ανθρώπινος θώρακας και βραχίονας προσομοιώνονται με κυλίνδρους ("βιολογικοί" κύλινδροι) φορτωμένους με υλικό με ηλεκτρική διαπερατότητα και αγωγιμότητα ίση με τη μέση τιμή αυτής που εμφανίζουν οι βιολογικοί ιστοί.Αρχικά θα εστιάσουμε στη φύση των ανισότροπων υλικών. Αυτή προκαλείται από την εφαρμογή ενός στατικού μαγνητικού πεδίου. Διερευνούμε τη δυναμική εξάρτηση του ανισότροπου τανυστή του πλάσματος με τη συχνότητα, καθώς οι μεταβολές των στοιχείων του επηρεάζουν τη διάδοση των ρυθμών στη διάταξη. Για το λόγο αυτόν προσδιορίζουμε τα στοιχεία του τανυστή του πλάσματος που μελετούμε. Έπειτα, θεωρώντας μια απλή διάταξη επιφανειακού κυματοδηγού προσδιορίζουμε τις σκεδαζόμενες ακτίνες που αποτελούν επιφανειακούς ρυθμούς, ρυθμούς διαρροής και του κύματος χώρου ή συνεχούς φάσματος (space wave). Στη συνέχεια δίνουμε έμφαση στα χαρακτηριστικά της ακτινοβολίας επιφανειακών και διαρρεόντων κυμάτων μέσα από τη θεωρία των κεραιών. Περιγράφουμε τις βασικές αρχές λειτουργίας των κεραιών και εστιάζουμε στη γωνία που ακτινοβολούν οι ρυθμοί. Ακολούθως, επιλύουμε το πρόβλημα κάθετης πρόσπτωσης ΤΕΜ κύματος στην περικομμένη άνω επιφάνεια κυματοδηγού παράλληλων πλακών φορτωμένου με μαγνητισμένο πλάσμα. Η αντιμετώπιση του προβλήματος σκέδασης που αντιμετωπίζουμε είναι ιδιαίτερη, εξαιτίας της ανομοιομορφίας των οριακών συνθηκών στην άνω διαχωριστική επιφάνεια. Με εφαλτήριο τα ανωτέρω, ανάγουμε το πρόβλημα στην επίλυση της εξίσωσης κύματος χρησιμοποιώντας την τεχνική Wiener-Hopf. Εφαρμόζουμε τη μέθοδο Wiener-Hopf στο φασματικό χώρο των μιγαδικών σταθερών διάδοσης και ακολούθως μετασχηματίζουμε τις ολοκληρωτικές εξισώσεις του σκεδαζόμενου πεδίου σε αλγεβρικές. Στόχο μας αποτελεί η παραγοντοποίηση της συνάρτησης πυρήνα του προβλήματος. Τονίζουμε ότι η συνάρτηση πυρήνα αποτελεί μία μη-μερομορφική συνάρτηση καθώς η γεωμετρία είναι ανοικτή, αλλά ταυτόχρονα και μία μη-άρτια συμμετρική συνάρτηση εξαιτίας της ανισότροπης φύσης του μαγνητισμένου πλάσματος. Στο σημείο αυτό έγκειται και η ιδιαίτερη δυσκολία στην παραγοντοποίησή της. Έπειτα, επιλύουμε με τη χρήση αριθμητικών τεχνικών τη χαρακτηριστική εξίσωση του προβλήματος και υπολογίζουμε τις καμπύλες διασποράς των ρυθμών διάδοσης σε κάθε συχνότητα. Ταξινομούμε τους ρυθμούς στο μιγαδικό επίπεδο των σταθερών διάδοσης και ιδιαίτερη έμφαση δίνουμε στους επιφανειακούς αλλά κυρίως στους διαρρέοντες ρυθμούς όπου η ενέργεια συγκεντρώνεται αποκλειστικά στην άνω ή κάτω επιφάνεια του κυματοδηγού (μονοκατευθυντικοί). Στη συνέχεια ολοκληρώνουμε γύρω από τον κλάδο που ξεκινά από τον κυματάριθμο ελευθέρου χώρου και υπολογίζουμε τη συνεισφορά του στην ακτινοβολία. Ο προσδιορισμός του πεδίου των ρυθμών προκύπτει μέσω των ολοκληρωτικών υπολοίπων. Ακολούθως, σχεδιάζουμε διαγράμματα ακτινοβολίας που αντιστοιχούν τόσο στο μακρινό όσο και στο κοντινό πεδίο και τα συγκρίνουμε μεταξύ τους.Παράλληλα, με τη μελέτη ακτινοβολητών φορτωμένων με ανισότροπα υλικά όμως, μελετάται και ο σχεδιασμός ακτινοβολητών που εμφυτεύονται σε βιολογικά υλικά και συγκεκριμένα το ηλεκτρομαγνητικό πρόβλημα εμφύτευσης ακτινοβολητών στο ανθρώπινο σώμα. Εστιάζουμε την έρευνα στο μοντέλο ανθρώπινου κορμού στις συχνότητες 1600 και 40 MHz, ενώ στο μοντέλο του βραχίονα στις συχνότητες 1600 και 400 MHz. Η πρώτη συχνότητα (1600 MHz) προκύπτει ως βέλτιστη συχνότητα για μεταφορά ενέργειας για την επίτευξη ασύρματης τηλεμετρίας. Οι δύο χαμηλές συχνότητες (40 MHz για τον κορμό, 400 MHz για τον βραχίονα) βρίσκονται στη χαμηλή ζώνη έκθεσης ανθρώπινων ιστών, σε ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία όπως περιγράφουν τα ΙΕΕΕ Standards 802.15.6 TM-2012. Η φύση των ανθρώπινων ιστών αποτελεί ένα ιδιαιτέρως εχθρικό περιβάλλον για την επίτευξη σημαντικής διαρροής ενέργειας. Αρχικά, επιλύουμε μαθηματικά το πρόβλημα και προσδιορίζουμε τόσο τη χαρακτηριστική εξίσωση όσο και τις συναρτήσεις των συνιστωσών του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου. Έπειτα με την αριθμητική επίλυση της χαρακτηριστικής εξίσωσης προκύπτουν οι καμπύλες διασποράς των διαδιδόμενων ρυθμών. Η ιδιαίτερη συνεισφορά μας, έγκειται στη διαμόρφωση της τεχνικής παραγοντοποίησης μη μερομορφικών συναρτήσεων που απορρέει από τη μέθοδο Wiener-Hopf ώστε να εκφραστεί το πεδίο σε μία ιδιαίτερη μορφή αναπτύγματος. Με λίγα λόγια το πεδίο εκφράζεται ως ανάπτυγμα όρων με τον καθένα από αυτούς να προσδιορίζει σε κλειστή μορφή τη συνεισφορά από κάθε πόλο-ρυθμό. Ακολουθεί ο σχεδιασμός των διαγραμμάτων ακτινοβολίας τόσο για κοντινές όσο και για μακρινές αποστάσεις από την επιφάνεια του κυλίνδρου. Η εργασία κλείνει με τη θεωρητική μελέτη των συντελεστών βάρους-διέγερσης για τον κάθε ρυθμό. Για το σκοπό αυτό θεωρήσαμε ρευματική πηγή απλού ηλεκτρικού διπόλου λ/2 εντός του ανθρώπινου κυλίνδρου. Πράγματι μέσα από τη θεωρία των αναπτυγμάτων των ιδιοσυναρτήσεων επιτυγχάνουμε την ποσοτικοποίηση της συνεισφοράς του κάθε ρυθμού.

Identical particles and the helium atom

“Identical particles and the helium atom” introduces bosons and fermions. Fermion states are expressed in terms of Slater determinants and the Pauli Principle. Helium is presented in such a way as to show what properties are and are not due to electron identity. Quantum states are described according as the space wave function is symmetric or antisymmetric under interchange of labels attached to the electrons. These in turn form singlet and triplet spin states when the electrons’ fermion identity is taken into account. Helium is an example of LS coupling, but a rather stunted example.

Fractional electromagnetic waves in plasma and dielectric media with Caputo generalized fractional derivative

The wave equation has very significance role in many area of physics. The paper addresses thesolution of fractional differential equations of electromagnetic wave in plasma and dielectric media with Caputo generalized fractional derivative. The ρ−Laplace transform introduced by Fahd and Thabet was used to obtain the analytic solution of fractional differential equation which arising in electromagnetic fields. We investigate that the wave equation in fractional space can effectively describe the behaviour of space wave and time wave. The results show that the electromagnetic fields change with different fractional orders.