Entropy paradox in strongly correlated Fermi systems

A system of interacting, identical fermions described by standard Landau Fermi-liquid (FL) theory can experience a rearrangement of its Fermi surface if the correlations grow sufficiently strong, as occurs at a quantum critical point where the effective mass diverges. As yet, this phenomenon defies full understanding, but salient aspects of the non-Fermi-liquid (NFL) behavior observed beyond the quantum critical point are still accessible within the general framework of the Landau quasiparticle picture. Self-consistent solutions of the coupled Landau equations for the quasiparticle momentum distribution $n(p)$ and quasiparticle energy spectrum $\epsilon(p)$ are shown to exist in two distinct classes, depending on coupling strength and on whether the quasiparticle interaction is regular or singular at zero momentum transfer. One class of solutions maintains the idempotency condition $n^2(p)=n(p)$ of standard FL theory at zero temperature $T$ while adding pockets to the Fermi surface. The other solutions are characterized by a swelling of the Fermi surface and a flattening of the spectrum $\epsilon(p)$ over a range of momenta in which the quasiparticle occupancies lie between 0 and 1 even at T=0. The latter, non-idempotent solution is revealed by analysis of a Poincar\'e mapping associated with the fundamental Landau equation connecting $n(p)$ and $\epsilon(p)$ and validated by solution of a variational condition that yields the symmetry-preserving ground state. Paradoxically, this extraordinary solution carries the burden of a large temperature-dependent excess entropy down to very low temperatures, threatening violation of the Nernst Theorem. It is argued that certain low-temperature phase transitions offer effective mechanisms for shedding the entropy excess. Available measurements in heavy-fermion compounds provide concrete support for such a scenario.Comment: 34 pages, 6 figure

Behavior of Fermi Systems Approaching Fermion Condensation Quantum Phase Transition from Disordered Phase

The behavior of Fermi systems which approach the fermion condensation quantum phase transition (FCQPT) from the disordered phase is considered. We show that the quasiparticle effective mass $M^*$ diverges as $M^*\propto 1/|x-x_{FC}|$ where $x$ is the system density and $x_{FC}$ is the critical point at which FCQPT occurs. Such a behavior is of general form and takes place in both three dimensional (3D) systems and two dimensional (2D) ones. Since the effective mass $M^*$ is finite, the system exhibits the Landau Fermi liquid behavior. At $|x-x_{FC}|/x_{FC}\ll 1$, the behavior can be viewed as a highly correlated one, because the effective mass is large and strongly depends on the density. In case of electronic systems the Wiedemann-Franz law is held and Kadowaki-Woods ratio is preserved. Beyond the region $|x-x_{FC}|/x_{FC}\ll 1$, the effective mass is approximately constant and the system becomes conventional Landau Fermi liquid.Comment: 9 pages, revtex, no figure

Topological crossovers near a quantum critical point

We study the temperature evolution of the single-particle spectrum $\epsilon(p)$ and quasiparticle momentum distribution $n(p)$ of homogeneous strongly correlated Fermi systems beyond a point where the necessary condition for stability of the Landau state is violated, and the Fermi surface becomes multi-connected by virtue of a topological crossover. Attention is focused on the different non-Fermi-liquid temperature regimes experienced by a phase exhibiting a single additional hole pocket compared with the conventional Landau state. A critical experiment is proposed to elucidate the origin of NFL behavior in dense films of liquid $^3$He.Comment: 7 pages, 6 figure

Herstellung effektiver Medien mittels mizellarer Blockcopolymer Nanolithographie

In dieser Arbeit wurden neuartige, im Nanometerbereich strukturierte Materialien entwickelt. Zur Erzeugung biomimetischer, antireflexiver Schichten wurden Nanopartikelmuster mittels der mizellaren Blockcopolymer Nanolithographie (engl. „block copolymer micellar nanolithography“ - BCML) hergestellt und anschließend als Maske für einen reaktiven Ionenätzprozess genutzt. Um eine größere Variation an Nanopartikelmustern zu erschließen wurde die BCML-Technik erweitert. Hierzu wurde ein neues Verfahren entwickelt, das es erlaubt, verschiedene binäre StrukturenausNanopartikelnherzustellen.Weiterhinwurdeeinneuartiges Belichtungsverfahren eingeführt, welches es erstmalig erlaubt, die Nanopartikelgröße ortsaufgelöst zu verändern. Die Nanostrukturen, die auf den Augen bestimmter Motten entdeckt wurden, wirken antireflektiv. In dieser Arbeit neu entwickelte mehrschrittige Ätzprozesse erlauben es, solche Strukturen großflächig und kostengünstig herzustellen. Die so erzeugten Strukturen können für eine antireflektive Wirkung bei verschiedene Wellenlängen (UV-Bereich) oder für eine extrem breitbandige Wirkung optimiert werden. Die antireflektive Wirkung der Strukturen wurde erfolgreich auf flachen Substraten, sowie auf optische Elemente gezeigt. Um ein Beschlagen von Quarzglas durch Luftfeuchtigkeit zu verhindern, wurde außerdem ein neues Verfahren entwickelt, das erstmals eine chemische Modifizierung der Oberfläche mit einer stochastischen Nanostrukturierung kombiniert. Dies führt zur Ausbildung superhydrophiler Quarzglasoberflächen welche einen ausgeprägten Antibeschlagseffekt zeigen und im Gegensatz zu anderen Verfahren sowohl bei Temperaturschwankungen (-25°C – 120°C), als auch bei Lagerung über einige Wochen wirksam bleiben

fMRT der P300: Modifikation der klassischen EEG-Untersuchung für die fMRT

Die Psychiatrie und speziell die Neurophysiologie haben in den letzten Jahrzehnten deutliche Fortschritte in der Erforschung von Entstehungsmechanismen psychiatrischer Erkrankungen gemacht. Mit neurophysiologischen Untersuchungs-methoden wie der EEG konnten zeitliche und räumliche Zusammenhänge von neuronalen Aktivierungen aufgedeckt werden. Jedoch stoßen die klassischen neurophysiologischen Untersuchungsmethoden bei der Identifizierung von morphologischen Strukturen sehr schnell an die Grenzen ihres Auflösungsvermögens von wenigen Zentimetern. Es liegt nahe, moderne hochauflösende Untersuchungsverfahren wie die MRT einzusetzen, um weitere morphologische Informationen bei der Entstehung von komplexen Nervenzellaktivitäten zu gewinnen. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, eine klassische neurophysiologische Untersuchung auf dem Gebiet der Schizophreniediagnostik, nämlich die unter standardisierten Bedingungen im EEG abgeleiteten Ereignis-evozierten Potentiale der P300, mit der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRT) zu untersuchen. Es wurde ein spezielles für die fMRT geeignetes Paradigma, welches sich an dem klassischen EEG-Paradigma orientierte, entwickelt, und an neun gesunden Probanden getestet. Mit Hilfe von intensiven Analysen verschiedener Versuchsaufbauten durch modernste statistische Verfahren konnte schließlich ein Studienmodell entwickelt werden, das in der Lage war, signifikante Nervenzellaktivierungen in Regionen, die bereits aus der klassischen EEG bekannt sind, hochauflösend darzustellen. Es handelt sich um Aktivierungen im Gyrus supramarginalis, dem Gyrus cinguli und der Insel. Weiterhin wurden Aktivierungen im motorischen Handareal nachgewiesen, die durch gezielte Fingerbewegungen des Probanden im Rahmen des Versuchsparadigma entstanden sind. Die Ergebnisse dieser Arbeit stehen weitgehend im Einklang mit anderen zwischenzeitlich veröffentlichten Studien zu dieser Thematik. Mit Hilfe der Erkenntnisse dieser Arbeit konnten Entwürfe für zukünftige fMRT-Untersuchungsansätze entwickelt werden, welche teilweise bereits erfolgreich in anderen Studien innerhalb des Instituts untersucht werden

The regulation of XYLT1, the enzyme initiating glycosaminoglycan synthesis

Several studies suggest that sodium is not only linked to extracellular fluids, but is also found in considerable amounts in other sites of the body including skin, muscle and arteries, where it is stored osmotically inactive, presumably bound to glycosaminoglycans. In a recent study, a correlation between tissue sodium concentrations, glycosaminoglycan content and the expression of XYLT1, the enzyme initiating glycosaminoglycan synthesis, was found. Thus, the aim of the present in vitro study was to investigate the potential regulation of XYLT1 expression in human fibroblast cells, in order to gain further insight into potential regulatory mechanisms of tissue sodium storage. We hypothesized that XYLT1 expression can be actively induced by external stimuli. As a tool for internal control of successful stimulation, human immortalized dermal fibroblasts were stably transfected with pathway specific reporter plasmids (TGF-beta/SMAD and NFAT5, respectively), with a fluorescent protein read-out (Gaussia Luciferase), allowing the monitoring of pathway activation status in response to different experimental conditions. XYLT1 expression was quantified by real-time PCR. We observed significant induction of XYLT1 expression by treatment with TGF-beta1 and TGF-beta3. Media with hypertonic sodium, elevated Vasopressin, Endothelin-1 and FGF23 concentrations, respectively, did not have significant effects on XYLT1 expression. In conclusion, we established functioning systems to monitor pathway activation status as internal control of treatment with TGF-beta and hypertonic sodium. Our data support the hypothesis that XYLT1 is actively regulated by TGF-beta, which strengthens the theory that there is active regulation of water-free sodium storage. To investigate this theory further, we suggest in vitro quantification of sodium concentration and glycosaminoglycan content relative to XYLT1 expression as a next step.Etliche Studien weisen darauf hin, dass Natrium im Körper nicht nur an extrazelluläre Flüssigkeit gebunden ist, sondern auch in bedeutenden Mengen in anderen Bereichen des Körpers, wie Haut, Muskeln und Arterien, existiert, wo es - vermutlich an Glykosaminoglykane gebunden - osmotisch inaktiv gespeichert wird. In einer kürzlich durchgeführten Studie wurde eine positive Korrelation zwischen Natriumkonzentrationen in Gewebe, Glykosaminoglykan-Gehalt und der Expression von XYLT1, dem Schlüsselenzym der Glykosaminoglykan-Synthese, gefunden. Das Ziel dieser Arbeit war deshalb, die Regulation von XYLT1 näher zu untersuchen, um bessere Einsicht in die regulatorischen Mechanismen von Gewebe-Natriumspeichern zu erlangen. Unsere Hypothese war, dass XYLT1-Expression durch externe Stimuli wie TGF-beta aktiv induziert werden kann. Für die Stimulationsexperimente wurde folgendes in vitro Zeltkulturmodell etabliert: Humane dermale Fibroblasten wurden stabil mit TGF-beta/SMAD oder NFAT5 Reportertransgenen transfiziert, um mittels eines fluoreszenten Reporterproteins den Aktivitätsstatus des jeweiligen Signalwegs unter verschiedenen experimentellen Bedingungen verfolgen zu können. Dies ermöglichte eine interne Kontrolle für erfolgreiche Stimulation. Nach Inkubation mit unterschiedlichen Stimuli wurde XYLT1 Expression mittels quantitativer Echtzeit-PCR bestimmt. Als Ergebnis zeigte sich eine starke Induktion der XYLT1 Expression nach Stimulation mit TGF- beta1 und TGF-beta3. Inkubation mit erhöhten Konzentrationen von Natrium, Vasopressin, Endothelin-1 oder FGF23 hatte dagegen keinen Effekt auf XYLT1 Expression, im Vergleich zur Kontrolle. Zusammenfassend wurde in dieser Arbeit ein funktionierendes System zur Überwachung des Aktivitätsstatus von Signalwegen etabliert, das hier als Kontrolle für Stimulation mit TGF-beta und hypertonem Natrium diente. Die Ergebnisse der Stimulationsexperimente unterstützen die Hypothese, dass XYLT1 aktiv durch TGF-beta reguliert wird. Dies stärkt die Theorie, dass eine aktive Regulation der osmotisch inaktiven Gewebe-Natriumspeicher existiert. Um diese Theorie zu belegen, erscheint die Quantifizierung von Gewebe-Natriumkonzentration und Glykosaminoglykan-Gehalt in vitro relativ zu XYLT1 Expression ein wichtiger nächster Schritt

AEGIS at CERN: Measuring Antihydrogen Fall

The main goal of the AEGIS experiment at the CERN Antiproton Decelerator is the test of fundamental laws such as the Weak Equivalence Principle (WEP) and CPT symmetry. In the first phase of AEGIS, a beam of antihydrogen will be formed whose fall in the gravitational field is measured in a Moire' deflectometer; this will constitute the first test of the WEP with antimatter.Comment: Presented at the Fifth Meeting on CPT and Lorentz Symmetry, Bloomington, Indiana, June 28-July 2, 201

Adaptation of the Landau-Migdal Quasiparticle Pattern to Strongly Correlated Fermi Systems

A quasiparticle pattern advanced in Landau's first article on Fermi liquid theory is adapted to elucidate the properties of a class of strongly correlated Fermi systems characterized by a Lifshitz phase diagram featuring a quantum critical point (QCP) where the density of states diverges. The necessary condition for stability of the Landau Fermi Liquid state is shown to break down in such systems, triggering a cascade of topological phase transitions that lead, without symmetry violation, to states with multi-connected Fermi surfaces. The end point of this evolution is found to be an exceptional state whose spectrum of single-particle excitations exhibits a completely flat portion at zero temperature. Analysis of the evolution of the temperature dependence of the single-particle spectrum yields results that provide a natural explanation of classical behavior of this class of Fermi systems in the QCP region.Comment: 26 pages, 14 figures. Dedicated to 100th anniversary of A.B.Migdal birthda

Focal subarachnoid haemorrhage mimicking transient ischaemic attack - do we really need MRI in the acute stage?

Background: Acute non-traumatic focal subarachnoid haemorrhage (fSAH) is a rare transient ischaemic attack (TIA)-mimic. MRI is considered to be indispensable by some authors in order to avoid misdiagnosis, and subsequent improper therapy. We therefore evaluated the role of CT and MRI in the diagnosis of fSAH patients by comparing our cases to those from the literature. Methods: From 01/2010 to 12/2012 we retrospectively identified seven patients with transient neurological episodes due to fSAH, who had received unenhanced thin-sliced multiplanar CT and subsequent MRI within 3 days on a 1.5 T scanner. MRI protocol included at least fast-field-echo (FFE), diffusion-weighted imaging (DWI), T2-weighted fluid-attenuated inversion recovery (FLAIR) and time-of-flight (TOF) MRA sequences. By using MRI as gold-standard, we re-evaluated images and data from recent publications regarding the sensitivity to detect fSAH in unenhanced CT. Results: fSAH was detected by CT and by FFE and FLAIR on MRI in all of our own cases. However, DWI and T2w-spinecho sequences revealed fSAH in 3 of 7 and 4 of 6 cases respectively. Vascular imaging was negative in all cases. FFE-MRI revealed additional multiple microbleeds and superficial siderosis in 4 of 7 patients and 5 of 7 patients respectively. Including data from recently published literature CT scans delivered positive results for fSAH in 95 of 100 cases (95%), whereas MRI was positive for fSAH in 69 of 69 cases (100%). Conclusions: Thin-sliced unenhanced CT is a valuable emergency diagnostic tool to rule out intracranial haemorrhage including fSAH in patients with acute transient neurological episodes if immediate MRI is not available. However, MRI work-up is crucial and mandatorily has to be completed within the next 24-72 hours