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A search for Fermi LAT pulsars in archival VERITAS data
No full textPulsars are extra-terrestrial sources of periodic radiation thought to consist of highly magnetized, rapidly rotating neutron stars. As the neutron star rotates, beams of radiation may become visible to an observer at different rotational phases, causing an observed periodic signal. Pulsars are mostly detected at radio frequencies, but are also detected in optical light, X-rays and gamma rays. Radiative emission from pulsars is currently not well understood. The main open questions in the field are the radiation emission mechanisms and the location of the emission regions. This work describes the search for pulsations from 14 pulsars with VERITAS, a ground-based very-high-energy (VHE) gamma-ray observatory. Currently only two pulsars have been detected at VHE energies: the Crab and Vela. This search was undertaken in order to increase this number, and to constrain pulsar gamma-ray emission scenarios. The data set consists of archival data, where pulsars detected by the Large Area Telescope (LAT) on-board the Fermi Gamma-ray Space Telescope were observed directly or were present in the field of view during observations of other sources. The VERITAS data for each pulsar were analyzed with three sets of data selection cuts, and two periodicity tests for each set of cuts. No pulsations were discovered for any of these analyses. Flux upper limits were calculated for each pulsar at the 95% confidence level for each set of cuts using two separate methods. The limits for each pulsar are contextualized with spectra produced from LAT data, and the results are interpreted within the context of current pulsar gamma-ray emission scenarios.Les pulsars sont des sources extraterrestres de rayonnements périodiques que l'on pense être constitués d'étoiles à neutrons fortement magnétisées et à rotation rapide. Lorsque l'étoile à neutrons tourne, des faisceaux de rayonnement peuvent devenir visibles à un observateur à différentes phases de rotation, provoquant l'observation d'un signal périodique. Les pulsars sont principalement détectés aux fréquences radio, mais sont également détectés avec la lumière optique, les rayons X et les rayons gamma. L'émission radiative des pulsars n'est actuellement pas bien comprise. Les questions principales dans ce domaine d'étude sont les mécanismes d'émission de rayonnement et l'emplacement des régions d'émission. Ce travail décrit la recherche de pulsations à partir de 14 pulsars avec VERITAS, un observatoire rayon gamma à très hautes énergies situé sur la Terre. En ce moment, seulement deux pulsars ont été détectés en rayons gamma a très hautes énergies: les pulsars Crabe et Vela. Cette recherche a été entreprise pour augmenter ce nombre et pour contraindre les scénarios d'émission de rayons gamma. L'ensemble de données est constitué de données d'archives, où des pulsars détectés par le Large Area Telescope (LAT) à bord du Fermi Gamma-ray Space Telescope ont été observés directement ou étaient présents dans le champ de vision pendant des observations d'autres sources astronomiques. Les données VERITAS pour chaque pulsar ont été analysées avec trois ensembles de coupes de sélection de données, et deux tests de périodicité pour chaque ensemble de coupes. Aucune pulsation a été découverte pour ces analyses. Les limites supérieures du flux ont été calculées pour chaque pulsar au niveau de confiance de 95% pour chaque ensemble de coupes en utilisant deux méthodes distinctes. Les limites pour chaque pulsar sont contextualisées avec des spectres produits à partir de données du LAT, et les résultats sont interprétés dans le contexte des scénarios actuels d'émission de rayons gamma par les pulsars
Contingent universals, aggregated truth: an ethnography of knowledge in Global Mental Health
No full textThe interdisciplinary field of Global Mental Health (GMH) emerged in 2007 when a number of researchers called for a concerted effort to scale-up mental health care around the world, especially in low-resource settings. Mental health, they argued, had been ignored by the international community for too long despite the prediction that depression would become the "leading cause of disability worldwide" by 2020. GMH's proposition to close the global "treatment gap" galvanized a diverse set of actors into a novel knowledge infrastructure, complete with its own institutions, journals, NGOs, and funding streams. Yet, critics held that western mental health knowledge was itself too contested to be exported, lacked cross-cultural validity, and relied on a biomedical model that would inadvertently replace cultural and communal ways of knowing and coping with distress. While GMH proponents argued in the name of a shared humanity, universal suffering, and mental health care as a human right, the critics emphasized the cultural specificity of both mental suffering and its treatment. The debate was an epistemic event in which different ways of knowing mental health collided. It serves as the empirical entry point into my ethnography of GMH as a knowledge infrastructure which produces mental health as a decidedly global target of care – re-configured from the vantage point of low-resource settings and their restraints. During fourteen months of multi-sited fieldwork I immersed myself in GMH's emerging network spanning European and South African research centers, the World Health Organization, the World Bank, and diverse intervention sites. My dissertation shows how GMH gives rise to a globally applicable notion of mental health, which productively unsettles existing organizing principles of knowledge, such as disease categories, disciplinary boundaries, and the very dichotomies of nature/culture, and global/local. More specifically, I bring into view how GMH operates within an interdisciplinary episteme governed by a pragmatist ethos of figuring out "what works", and by a functional notion of truth that is open-ended, iterative, and reflexive. Finally, it discusses the implications of these knowledge practices for anthropology's methodology and the contours of the figure of the human at its center. It tentatively delineates the emergence of what I call an "aggregate human," a figure perpetually assembled and disassembled from changing data points.Le mouvement interdisciplinaire de la Santé mentale dans le monde a pris forme en 2007 quand un certain nombre de chercheurs ont appelé à un effort concerté pour élargir l'accès aux soins pour la santé autour du monde, surtout dans les endroits à faibles ressources. Ces chercheurs soutenaient que la communauté internationale avait ignoré la santé mentale pendant trop longtemps, malgré les prédictions indiquant que la dépression serait devenue d'ici 2020 la principale cause d'handicap dans le monde. La proposition de combler les « lacunes en santé mentale » a consolidé un lot d'acteurs divers en une nouvelle infrastructure de savoir, ayant ses propres institutions, journaux académiques, ONG, et sources de financement. Cependant, les actions de ce domaine visant à répondre aux besoins de santé mentale au travers de la médecine basée sur les données probantes ont été aussi la cible de critiques. Les critiques affirmaient que le savoir occidental à propos de la santé mentale était trop contesté pour être exporté, qu'il manquait de validité interculturelle, et qu'il reposait sur un modèle biomédical qui allait par inadvertance rivaliser, ou même coloniser, les systèmes culturels et collectifs pour surmonter la détresse. S'en est ensuivi un débat virulent dans lequel les partisans de la Santé mondiale dans le monde plaidaient en faveur d'une humanité partagée, d'une souffrance universelle, présentant la santé mentale comme un droit de l'homme, alors que les critiques défendaient sa spécificité culturelle. Ce débat a été un événement épistémique qui a rendu palpable différentes façons de connaitre la santé mentale. Il a été le point de départ de mon exploration empirique de la Santé mentale dans la monde en tant qu'infrastructure de savoir au travers de laquelle la santé mentale apparait comme un objet de préoccupation résolument global – reconfiguré du point de vue des endroits à faibles ressources et leurs limites. Au cours de quatorze mois de recherche de terrain multi-située, j'ai été intégrée au réseau de la Santé mondiale dans le monde qui m'a conduite jusqu'à des centres de recherches africains et européens, jusqu'à l'Organisation Mondiale de la Santé et la Banque Mondiale, ainsi que jusqu'à plusieurs ONG. Ma thèse examine comment une notion de santé mentale applicable globalement émerge des pratiques quotidiennes de ces acteurs, et comment leur travail déstabilise les principes organisateurs de savoir existants, comme les catégories de maladie, les frontières disciplinaires, et les dichotomies entre nature/culture et global/local. Plus précisément, ma thèse souligne comme la Santé mentale mondiale fonctionne en tant qu'épistémè interdisciplinaire dicté par un ethos visant à comprendre ce « qui fonctionne » (what works), et par une notion fonctionnelle de la vérité qui est inachevée, itérative, et réfléchie. Enfin, cette thèse discute des implications de ces pratiques de savoir pour les méthodes utilisées par l'anthropologie et pour la figure de l'humain, tout en traçant les contours de ce que j'appelle « l'human cumulé » (aggregate human) qui est perpétuellement assemblé et désassemblé par des données changeantes
Silicon photonic interferometric modulators
No full textIn recent years, the amount of traffic within data centers has increased to a point where electrical interconnects are being replaced by optical interconnects and pluggable modules. Silicon photonics, which uses the existing CMOS fabrication capabilities to develop integrated photonics, offers the ability to make compact devices in high volume with relatively better yield. This makes it a highly desired platform to develop optical transceivers and components for modern data centers. As such, it has recently reached the production phase of the technology development cycle. This thesis studies several devices that are applicablein leading data centers. A detailed analysis and characterization of a silicon Michelson modulator with short 500 um phase shifters and a low VpiLpi of 0.72 V-cm under reverse bias is presented. The optical modulation of reverse biased p-n and forward biased p-i-n junctions is investigated. For reverse bias operation, it is demonstrated that bandwidth can be increased with lower impedance drivers and the driver impedance limits the bitrate achievable. Furthermore, forward bias operation with pre-emphasized signals is shown to have clean eye diagrams up to 40 Gbps. Energy consumption is estimated for all cases of studies and their trade-offs are explained.The work on modulators is further developed by studying series push-pull traveling wave Mach-Zehnder modulators. Measurements of electrodes is compared with simulation validating the methods of increasing impedance and microwave effective index with T-shaped electrodes. Moreover, designs with two and three level implants are compared and it is concluded with measurements that a two level doping design is as good as the design with three level implants, thus reducing the number of masks and processing steps required. Another variation of modulators is the dual-drive modulators. Here, the spacing between electrodes can lead to coupling, which results in different responses depending on whether the modulator is driven single-endedly or differentially. The electro-optic frequency response of a four-port traveling-wave dual-drive modulator with relatively weak coupling amongst the electrodes is measured. It is shown that the electro-optic frequency response of the Mach-Zehnder modulator can be predicted with a 2x2 cascaded matrix model if the Mach-Zehnder modulator is symmetric and differentially driven. In recent years, the increase in data transfers has demanded that more bits be transmitted and received in a given bandwidth. The design and characterization of a silicon-on-insulator traveling-wave multi-electrode Mach-Zehnder modulator is reported in this thesis. This 2-bit electro-optic digital-to-analog converter is formed by dividing a series push-pull Mach-Zehnder modulator into two segments, one for each bit, thus allowing for PAM-4 modulation without using a digital-to-analog converter. The device is operated at speeds up to 50 Gbaud and thus generating 100 Gbps on a single wavelength without signal processing at the transmitter or the receiver. The pre-forward error correction bit error rate is estimated to be lower than the hard-decision forward error correction threshold of 3.8e-3 over 1 km of standard single-mode fiber.Another component that is crucial in optical networks is the optical switch. The optical switch has numerous applications in protection and restoration as well as in certain modern data center architectures. A 4x4 fully non-blocking crossbar switch fabric based on interferometric thermal phase shifters is developed and reported in this thesis. Here, heating is achieved using resistive elements around the silicon waveguide. Switching times of 5 us and 36 mW power consumption in an individual switching element is measured. As a proof of concept, the quality in degradation of switching is demonstrated by routing an input signal to some of the outputs of the switch.Au cours des dernières années, le débit de données dans les centres de données a augmenté de façon considérable tel que les interconnexions interconnexions optiques et des modules enfichables ont remplacées les interconnexions électriques. La photonique au silicium offre la possibilité de fabriquer des composants optique plus compacts et en grand volume avec un meilleur rendement. Ainsi, c'est une plate-forme hautement désirée pour développer des émetteurs-récepteurs optiques et d'autres composants pour les centres de données modernes. Une analyse détaillée et une caractérisation d'un modulateur de Michelson au silicium avec des déphaseurs courts de 500 um et une faible VpiLpi de 0,72 V-cm en tension de polarisation inverse sont présentées. La modulation optique de jonctions p-n en polarisation inverse et de jonctions p-i-n en polarisation direct est étudiée. Pour l'opération en tension de polarisation inverse, il est démontré que la bande passante peut être augmentée avec des pilotes d'impédance plus faibles et que l'impédance du pilote limite le débit possible. De plus, l'opération de polarisation directe avec des signaux pré-accentués est capable de réussir des diagrammes d'oeil propres jusqu'à 40 Gbps. Le travail sur les modulateurs est développé en étudiant les modulateurs Mach-Zehnder à ondes progressives. Les mesures d'électrodes sont comparées à des simulations validant les méthodes d'augmentation de l'impédance et de l'indice de micro-ondes avec des électrodes en forme de "T". De plus, les conceptions avec des implants à deux et trois niveaux sont comparées tête à tête et il est démontré avec des expériences, q'un design de dopage à deux niveaux est presque aussi bon que avec trois implants de niveau. Ainsi, réduisant le nombre de masques requis. Une autre variante des modulateurs est les modulateurs à double entraînement. Ici, l'espacement entre les électrodes peut conduire à un couplage, ce qui entraîne des réponses différentes selon la manière que le modulateur est entraîné, soit de façon unique ou différentielle. La réponse en fréquence électro-optique d'un modulateur double-onde à ondes progressives à quatre ports avec un couplage relativement faible entre les électrodes est mesurée. Il est montré que la réponse en fréquence électro-optique du modulateur Mach-Zehnder peut être prédite avec un modèle matriciel de 2X2 en cascade, si le modulateurs Mach-Zehnder est symétrique et conduit différemment. Ces dernières années, l'augmentation des transferts de données a exigé que davantage de bits sont transmis et reçus dans une bande passante fixe. La conception et la caractérisation d'un modulateur Mach-Zehnder multi-électrodes à ondes progressives sur silicium-isolant sont rapportées dans cette thèse. Ce convertisseur numérique-analogique 2-bit électro-optique est formé en divisant un modulateur Mach-Zehnder série push-pull en deux. Le dispositif fonctionne à des vitesses allant jusqu'à 100 Gbps sur une seule longueur d'onde sans traitement de signal au niveau de l'émetteur ou du récepteur. Le taux d'erreur binaire est estimé être inférieur au seuil de correction d'erreurs sans voie de retour de décision stricte de 3,8E-3 sur 1 km de fibre. Un autre composant crucial dans les réseaux optiques est le commutateur optique. Le commutateur optique a de nombreuses applications dans la protection et la restauration ainsi que dans certaines architectures de datacenters modernes. Un commutateur crossbar 4X4 entièrement non bloquant basé sur des déphaseurs thermiques interférométriques est développé et reporter dans cette thèse. Ici, le chauffage est réalisé en utilisant des éléments résistifs autour du guide d'onde en silicium. Le temps de commutation est de 5 us, avec une consommation de 36 mW dans un élément de commutation individuel. Comme preuve de concept, la qualité de la dégradation de la commutation est démontrée en transférant un port d'entrée vers quelques port de sorties
A participatory approach to developing a culture-based school health promotion model for elementary students in Kahnawà:ke
No full textThe current health status of the Indigenous peoples of Canada is socially determined by the many effects of colonization. Because children spend much of their time in school, school health promotion provides opportunity to instill lifelong healthy habits important for their growth and development. A plethora of school health promotion models recognized by the World Health Organization (WHO) is readily available at our fingertips. It has been recognized however, that these models may not be sufficiently relevant or appropriate in elementary schools within Indigenous communities. Moreover it is evident that culturally adapted models have higher participant satisfaction compared to non-culturally adapted school health promotion interventions. Indigenous ways of knowing grounds and provides Indigenous scholars with a foundation for carrying out research on health and wellness for our communities. Guided by community based participatory research (CBPR), this study applies an Indigenous research framework to address the following question: How can building a culture-based school health promotion model for elementary students in Kahnawà:ke be realized? The case study for the evaluation of the Kateri Memorial Hospital Centre's (KMHC) Health Education Program for Diabetes Prevention in Kahnawake provides the context for this research. Qualitative data were collected in Kahnawake through: 13 individual interviews with community stakeholders involved in health and education; a PhotoVoice project with grade 5 and 6 elementary school children in two of Kahnawake's elementary schools; and a Talking Circle with the schools' wellness committee. A review of the literature served to verify information described by research participants. Analysis involved thematic analysis across interviews, photos, and information provided by Talking Circle participants. Findings indicate that the case study is an effective tool for providing baseline information and context as a research starting point. Several factors were identified that could provide the impetus to developing a culture-based school health promotion model in Kahnawake, including: 1) administrative and management support; 2) dedicated time and resources; 3) stakeholder ownership and participation; 4) voice of the youth; 5) champions and leaders at all levels; 6) community readiness; and 7) change comes with challenges. The results of this study represent the possible development of a school health promotion model for the community of Kahnawake to consider. It also builds on existing literature pertaining to applying Indigenous research frameworks and Indigenous research methodologies grounded in Indigenous ways of knowing.L'état de santé des peuples autochtones du Canada est directement lié aux effets de la colonisation. Parce que les enfants passent la majorité de leur temps à l'école, l'école est un endroit propice pour instaurer de saines habitudes saines de vie qui les aideront à grandir et à bien se développer. Il existe une panoplie de programmes d'écoles promotrices de la santé reconnus par l'Organisation mondiale de la santé. Toutefois, ces programmes ne sont pas pertinents ou adaptés aux écoles situées dans les communautés autochtones. Il y a lieu d'implanter des programmes d'écoles promotrices de la santé culturellement adaptés, qui génèrent un taux de satisfaction élevé en comparaison avec des programmes non adaptés similaires. Les traditions et le savoir autochtones procurent une base fondamentale aux chercheurs autochtones qui s'intéressent à la recherche dans le domaine de la santé et du bien-être des communautés. Cette étude, ancrée dans une démarche communautaire et participative, applique un cadre de recherche autochtone pour répondre à la question suivante : comment peut-on développer un modèle d'école primaire promotrice de la santé culturellement pertinent à Kahnawà:ke? Cette recherche est basée sur un devis d'étude de cas et réalisée dans le contexte de l'évaluation du programme de prévention et d'éducation sur le diabète du Kateri Memorial Hospital Centre à Kahnawà:ke. Les données qualitatives ont été collectées à Kahnawà:ke à l'aide de : 13 entrevues individuelles auprès d'intervenants communautaires impliqués dans la santé et l'éducation; un projet PhotoVoice réalisé avec la collaboration des élèves de cinquième et sixième année de deux écoles primaires de Kahnawà:ke; un cercle de discussion avec les comités des écoles. Une revue de littérature a aussi été réalisée, ce qui a permis de valider certaines des informations décrites par les participants de la recherche. Les verbatim des entrevues, les photos ainsi que les informations collectées lors du cercle de discussion ont été analysés sur la base d'une stratégie d'analyse thématique. Les résultats démontrent que l'étude de cas est une méthode efficace afin de procurer des données initiales et de documenter le contexte de l'étude. Plusieurs facteurs apparaissent comme primordiaux afin de favoriser le développement d'un modèle d'école promotrice de la santé culturellement pertinent à Kahnawà:ke, incluant: 1) du soutien administratif et de gestion; 2) du temps réservé et des ressources dédiées; 3) la participation et la prise en charge du projet par les intervenants; 4) la voix des jeunes; 5) la participation de champions et de décideurs de tous niveaux; 6) la prédisposition communautaire; 7) un certain niveau de préparation aux défis. Les résultats de cette étude suggèrent qu'il est possible de développer une école promotrice de santé à Kahnawà:ke. Ils construisent sur les connaissances existantes au regard des cadre de recherche et des méthodologies de recherche autochtones, ceux-ci ancrés dans les savoirs traditionnels autochtones
A phase-imaging technique for precision mass measurements of neutron-rich nuclei with the Canadian Penning Trap mass spectrometer
No full textThe nuclear mass is a fundamental property of a nucleus because it defines the binding energy which represents the sum of all internal interactions. Masses provide insight into nuclear structure effects and are influential in describing heavy element nucleosynthesis via the rapid neutron-capture (??) process. More nuclear data, including masses, on the neutron-rich side of stability is needed to improve upon the current understanding of the ?? process. The Canadian Penning Trap (CPT) mass spectrometer is located at the CARIBU facility where intense beams of neutron-rich nuclei are created. To take advantage of the unique beams available at CARIBU an upgrade to the phase-imaging ion-cyclotron-resonance (PI-ICR) mass measurement technique at the CPT has been completed, vastly improving the experimental sensitivity. Compared to the previous system this new technique is faster, more efficient, and offers improved mass resolution and higher mass precision. In this thesis the implementation of PI-ICR at the CPT is detailed alongside a thorough study of the associated systematic effects. A total of 54 neutron-rich nuclear masses are presented ranging between mass numbers of ?? = 104-168, including 18 which have been measured for the first time and 29 where a reduction in the mass uncertainty has been made. The majority of the new measurements are of rare-earth elements near ?? = 100. Trends along several isotopic chains are discussed and the impact of these measurements in explaining a possible formation mechanism of the rare-earth elemental abundance peak during the ?? process is given.La masse nucléaire est une propriété fondamentale du noyau car elle définit l'énergie de liaison qui représente la somme de toutes les interactions internes. Les masses sont influencées par les effets de la strucutre nucléaire et influent donc sur la description de la nucléosynthèse des élément lourds via le processus ?? de capture rapide des neutrons. Il faut plus de données nucléaires sure les noyaux riches en neutrons, y compris leurs masses, pour améliorer notre compréhension de ce processus. Le spectromètre de masse "Canadian Penning Trap" (CPT) est situé dans l'installation CARIBU où sont produits des faisceaux intenses de noyaux riches en neutrons. Afin de tirer parti des faisceaux uniques disponsibles avec CARIBU, la technique de mesure de mass par image de phase de la résonance cyclotronique (PI-ICR) a été introduite au CPT, améliorant considérablement la sensibilité expérimentale. Par rapport au système précédent, cette nouvelle technique est plus rapide, plus efficace et offre une résolution de masse améliorée et une plus grande précision. Dans cette thèse, la mise en oeuvre du PI-ICR au CPT est détaillée parallèlement à une étude approfondie des effets systématiques associés. Au total, 54 masses nucléaires de noyaux riches en neutrons sont présentées, comprises entre ?? = 104 et 168, dont 18 ont été mesurées pour la première fois et 29 où l'incertitude de masses a été réduite. La majorité des nouvelles mesures concernent des terres rares près de ?? = 100. Les tendances le long de plusieurs chaînes isotopiques sont discutées et l'impact de ces mesures pour expliquer un éventuel mécanisme de formation du pic d'abondance isotopique dans les terres rares au cours du processus ?? est aussi discuté
A spectral finite element method on non-conforming meshes: Domain decomposition for high frequency scattering problems
No full textComputational electromagnetics—the solution of Maxwell's equations using computers—is a key component of the modern design cycle for a wide variety of electrical engineering devices. These include, but are not limited to, antennas, microwave devices, photonic crystals, optical waveguides, and electric machines. This wide range of devices demonstrates the predictive power of the theory of electromagnetism and the need to accurately analyze Maxwell's equations in situations for which classical mathematical techniques are ineffective. This thesis describes a high accuracy finite element method suitable for solving Poisson and Helmholtz problems, which arise from Maxwell's equations. High accuracy finite element methods are particularly useful for high frequency electromagnetic scattering problems. This is because experimental and theoretical results regarding dispersion errors for finite element methods applied to the Helmholtz problem indicate that an effective approach to control dispersion is to increase the polynomial degree of the finite element model as a function of element size and frequency. Increasing the polynomial degree where solutions are smooth leads to high accuracy. However, there are difficulties associated with the solution of the resulting linear systems when the polynomial degree increases. This tends to limit the extent to which high degree polynomial modeling is adopted in practice.To circumvent these difficulties, this thesis develops, from first principles, a high accuracy one-dimensional finite element method that exploits Legendre polynomial expansions and the associated fast Legendre transform. The method is extended to higher dimensions, and implemented and tested in two dimensions, by developing a systematic approach to enforce inter-element continuity. This approach allows for both arbitrary refinement of local polynomial degree and non-conforming mesh refinement. The method proposed in this thesis is capable of computing solutions to a user specified tolerance—potentially as stringent as machine precision—efficiently. All element-wise computations are performed with near linear computational complexity, which allows for the use of high polynomial degree to achieve high accuracy. The developed method is efficient because it consists of a domain decomposition method that fully exploit these fast element-wise computations. As long as the coupling between domains in the decomposition increases in such a way as to control dispersion errors, the method can be applied to compute high accuracy solutions while only solving systems that are much smaller than the total number of unknowns. The thesis demonstrates this behavior on several electromagnetic problems, including beam steering by lenses and photonic crystal waveguides, and radar cross section computation for dielectric, perfect electric conductor, and electromagnetic cloak scatterers.L'électromagnétisme numérique—la solution des équations de Maxwell par ordinateur—est un élément clé du cycle de conception moderne d'une grande variété de dispositifs communs en génie électrique. Ces dispositifs comprennent les antennes, les dispositifs à micro-ondes, les cristaux photoniques, les guides d'ondes optiques et les machines électriques. Cette large gamme de dispositifs démontre le pouvoir prédictif de la théorie de l'électromagnétisme et la nécessité d'analyser avec précision les équations de Maxwell quand les techniques mathématiques classiques ne sont pas efficaces. Cette thèse décrit une méthode des éléments finis de haute précision pour résoudre numériquement les équations de Poisson et de Helmholtz qui proviennent des équations de Maxwell. La méthode des éléments finis de haute précision est particulièrement utile pour résoudre numériquement les problèmes de diffusion électromagnétique à haute fréquence. Plusieurs résultats expérimentaux et théoriques concernant les erreurs de dispersion de la méthode des éléments finis pour l'équation de Helmholtz indiquent qu'une approche efficace pour contrôler la dispersion consiste à augmenter le degré du modèle polynomial des éléments finis en fonction de la taille des éléments et de la fréquence du problème. L'augmentation du degré polynomial mène à haute précision là où la solution est lisse. Cependant, lorsque le degré polynomial augmente, le temps de calcul pour résoudre le système linéaire provenant de la méthode des éléments finis devient considérable. Cela limite la mesure dans laquelle la modélisation polynomiale à haut degré est adoptée en pratique. Pour contourner ces difficultés, cette thèse développe, à partir de principes de base, une méthode des éléments finis unidimensionnel de haute précision qui exploite les polynômes de Legendre et la transformée de Legendre rapide. La méthode est étendue à dimensions supérieures, et réalisée et testée en deux dimensions, en développant une approche systématique pour assurer la continuité entre les éléments. Cette approche permet à la fois un raffinement arbitraire du degré polynomial local et un raffinement du maillage non conforme.La méthode proposée dans cette thèse est capable de calculer des solutions à une tolérance spécifiée par l'utilisateur—possiblement aussi stricte que la précision double—efficacement. Les calculs pour chaque élément sont effectués avec une complexité de calcul quasi linéaire, ce qui permet d'utiliser un degré polynomial élevé pour obtenir une méthode à haute précision. La méthode développée est efficace car elle consiste d'une méthode de décomposition de domaine qui exploite les calculs rapides pour chaque élément. Tandis que le couplage entre les domaines dans la décomposition augmente de manière à contrôler les erreurs de dispersion, la méthode peut calculer des solutions de haute précision en résolvant que des systèmes beaucoup plus petits que le nombre total d'inconnues. Cette thèse démontre ce comportement avec plusieurs problèmes électromagnétiques, comprenant l'analyse par simulation des ondes dirigées par lentille ou par guides d'ondes à cristal photonique, et le calcul de la section équivalente radar des diffuseurs diélectriques et métalliques, et des capes d'invisibilité
Aluminum gallium nitride nanostructures for high efficiency ultraviolet light sources
No full textTo date, it has remained difficult to realize efficient deep ultraviolet (UV) light emitting devices. The underlying challenges include presence of dislocations and defects, inefficient doping for Al-rich AlGaN, and poor light extraction efficiency (LEE) due to in-plane transverse magnetic polarized emission. In this thesis, we have investigated molecular beam epitaxial growth and characterization of AlGaN nanostructures, as well as applications in UV LEDs and lasers, in order to address the performance bottleneck of conventional AlGaN-based planar deep ultraviolet (UV) light emitting devices. We firstly performed a systematic study on the molecular beam epitaxial growth and charge carrier transport properties of Mg-doped AlGaN with ~60% Al composition. High hole concentration of 8.7×1017 cm-3 and mobility values between 10 and 17 cm2/(V·s) were achieved at room temperature. Under optimal condition, a resistivity of 0.7 Ω·cm was obtained. The conduction mechanism is identified to be hole conduction in the Mg impurity band. We also studied the improvement of LEE for transverse-magnetic (TM) polarized emission by using nanowire photonic crystals. By coupling in-plane TM-polarized emission to vertical emission at Γ point, LEE can be in principle enhanced to over 90% from below 10% in the conventional planar structure. Further considering the absorption in p-AlGaN contact layer and p-metal contact grid, LEE over 30% was predicted. To demonstrate the feasibility of nanowire photonic crystal, we developed the process of selective area epitaxy (SAE) of AlGaN nanowire and further demonstrate an LED at 279 nm. Regular and uniform AlGaN nanowire arrays with precisely controlled diameter and spacing were realized in the full compositional range. An IQE of 45% at room temperature was estimated with the presence of Al-rich shell suppressing surface nonradiative recombination. Excellent electrical and optical performance were achieved, including a small turn-on voltage of 4.4 V and an output power of ~0.93 W/cm2 at a current density of 252 A/cm2. We further studied AlN nanowall LEDs, which can exhibit IQE of ~ 60% at room-temperature, a low turn-on voltage of 7 V and higher current densities > 170 A/cm2 at 12 V. We have also demonstrated electrically pumped AlGaN nanowire lasers operating at 334 nm. Due to defect-free material quality, Anderson localization of light, and Al-rich shell structure, the optical loss and absorption were minimized and the differential gain was maximized, which resulted in ultralow threshold lasing of only a few tens of A/cm2. The studies in this thesis have revealed the advantages of molecular beam epitaxy (MBE) grown AlGaN nanostructures in addressing the current challenges with deep UV optoelectronic devices. Future research on the AlGaN nanostructures is finally proposed.Jusqu'à présent, il reste difficile de réaliser des dispositifs efficaces émettant de la lumière dans le spectre ultraviolets profonds (UV). Les défis incluent la présence de dislocations et de défauts, un dopage inefficace pour l'AlGaN riche en Al, et une faible efficacité d'extraction de la lumière (LEE) due à l'émission polarisée magnétique transversale. Dans cette thèse, une étude de la croissance épitaxiale par faisceau moléculaire (MBE) et la caractérisation des nanostructures AlGaN a été accomplie, pour des fins d'applications incluant les diodes électroluminescentes (LEDs) et les lasers UV, afin de remédier les limites de performance des émetteurs de lumière ultraviolets planaires à base d'AlGaN. Nous avons d'abord réalisé une étude systématique de la croissance par MBE et des propriétés de transport de porteurs de charge d'AlGaN dopé au Mg avec une composition de ~ 60% d'Al. Une concentration élevée en trous de 8,7 x 1017 cm-3 et des valeurs de mobilité comprises entre 10 et 17 cm2/(V·s) ont été atteintes à température ambiante. Dans des conditions optimales, une résistivité de 0,7 Ω·cm a été obtenue. Le mécanisme de conduction est identifié comme étant la conduction du trou dans la bande d'impureté de Mg. Une étude de l'amélioration de la LEE pour l'émission polarisée transverse-magnétique (TM) a aussi été complétée en utilisant des cristaux photoniques à base de nanofils. En couplant l'émission polarisée TM dans le plan à une émission verticale au point Γ, la LEE peut en principe être augmentée de moins de 10% à plus de 90% à comparer à la structure planaire conventionnelle. Considérant en outre l'absorption dans la couche de contact en p-AlGaN et la grille de contact de métal, une LEE de plus de 30% a été prédite. Pour démontrer la faisabilité des cristaux photoniques à base de nanofils, le développement d'un processus d'épitaxie de zone sélective (SAE) de nanofils en AlGaN a été réalisé, ainsi que la démonstration d'une LED émettant à 279 nm. Des réseaux de nanofils en AlGaN avec une distribution régulière et uniforme avec un diamètre et une séparation spatiale espacement précisément contrôlés ont été réalisés pour toute la gamme de composition. Une efficacité quantique interne (IQE) de 45% à température ambiante a été estimée avec la présence de recombinaison non radiante à la surface de la couche enveloppante riche en Al. D'excellentes performances électroniques et optiques ont été obtenues, y compris une faible tension de mise de 4,4 V et une puissance de sortie de ~ 0,93 W/cm2 avec une densité de courant de 252 A/cm2. De plus, une étude des LED à base de nano-murs en AlN a été accomplie, démontrant une IQE de ~60% à température ambiante, une faible tension de 7 V, et des densités de courant supérieures à 170 A/cm2 à 12 V. De plus, la réalisation de lasers à pompage électrique à base de nanofils en AlGaN fonctionnant à 334 nm a été accomplie. En raison de la qualité du matériau sans défaut, de la localisation de la lumière et de la structure comportant une coquille riche en Al, la perte optique et l'absorption de lumière ont été minimisées, et le gain différentiel a été maximisé avec seulement quelques dizaines de A/cm2. Les études reportées dans cette thèse révèlent les avantages des nanostructures en AlGaN par MBE afin de répondre aux défis présents avec les dispositifs optoélectroniques du spectre UV profonds. Des recherches futures sur les nanostructures en AlGaN sont finalement proposées
Learning options through inference-based policy gradients
No full textIn the pursuit of increasingly intelligent learning systems, abstraction plays a vital role in enabling sophisticated decisions to be made in complex environments. The options framework provides formalism for such abstraction over sequences of decisions in the context of reinforcement learning. Most prior work on abstraction in reinforcement learning requires that options be given a priori, presumably specified by hand, which is neither efficient, nor scalable, and can lead to suboptimal behaviour. Indeed, it is preferable to learn options directly from interaction with the environment. Despite several efforts, this remains a difficult problem.In this thesis, we tackle this problem by developing a novel policy gradient method for the automatic learning of policies with options. While employing behaviours that follow a hierarchical policy, during learning this algorithm employs inference, rather than explicit memory in order to represent its own behaviour. This allows for simultaneous improvement of all options available to an agent. We develop both online and trajectory-based versions of the algorithm. Furthermore, the algorithm can be employed in an off-policy manner, without observing option labels. The differentiable inference procedure employed yields options that can be easily interpreted. Empirical results confirm these attributes, and indicate that our algorithm has an improved sample efficiency relative to state-of-the-art in learning options end-to-end.Dans le cadre de systèmes d'apprentissage de plus en plus intelligents, l'abstraction fait un rôle essentiel dans la prise de décisions complexes dans des environnements complexes. Le cadre des options fournit un formalisme pour abstraction sur séquences de décisions dans le contexte de l'apprentissage par renforcement. La plupart des travaux antérieurs sur l'abstraction dans l'apprentissage par renforcement exigent que les options soient données a priori, probablement spécifiées à la main, ce qui n'est ni efficace ni évolutif et peut conduire à un comportement sous-optimal. En effet, il est préférable d'apprendre des options directement à partir de l'interaction avec l'environnement. Malgré plusieurs efforts, cela reste un problème difficile.Dans cette thèse, nous nous attaquons à ce problème en développant une nouvelle méthode de gradient de politique pour l'apprentissage automatique de politiques avec des options. Tout en employant des comportements qui suivent une politique hiérarchique, cet algorithme utilise, lors de l'apprentissage, l'inférence plutôt que la mémoire explicite pour représenter son propre comportement. Cela permet d'améliorer simultanément toutes les options disponibles pour un agent. Nous développons des versions en ligne et basées sur la trajectoire de l'algorithme. De plus, l'algorithme peut être utilisé de manière non réglementaire, sans observer les étiquettes d'option. La procédure d'inférence différenciable employée donne des options faciles à interpréter. Les résultats empiriques confirment ces attributs et indiquent que notre algorithme a une efficacité d'échantillon améliorée par rapport aux options d'apprentissage de pointe de bout en bout
Interdependence, state decentralization, and international relations: The China case
No full textUnder what conditions does international economic interdependence between liberal states and mercantilist rising powers likely to produce peaceful and cooperative foreign relations? International Relations scholars have been debating whether interdependence leads to peace or conflict between states. It appears that non-liberal rising powers such as China can strengthen their coercive power through interdependent relationships without liberalizing their domestic and foreign policies. The 2018 trade war between China and the U.S. highlights the risks associated with economic interdependence in the contemporary world. This thesis contributes to the understanding of interdependence in international relations by focusing on the intermediate effects of domestic state decentralization. It suggests that under a decentralized state system, subnational governments are more likely to develop self-interested foreign policy preferences and to actively participate in international affairs. In China, some of these local foreign policies have successfully restrained the zero-sum competitive interests of the central state. Chinese coastal provinces—which are more integrated into the world market—are less interested in state-led economic strategies, such as the Belt and Road Initiative. Seeking foreign capital and technologies, some local governments in China have also established cooperation in carbon emission control with foreign states and pushed the central state for stronger commitment to climate change issues. This dissertation's findings suggest that, if liberal states utilize the opportunities associated with state decentralization in mercantilist rising powers, economic interdependence can possibly lead to cooperative foreign relations in the contemporary world.Dans quelles conditions l'interdépendance économique internationale entre les États libéraux et les puissances mercantilistes montantes est-elle plus susceptible de produire des relations étrangères pacifiques et coopératives ? Les spécialistes des relations internationales sont divisés sur les effets de l'interdépendance et si elle entraîne la paix ou des conflits entre États. Il semble que les puissances montantes non libérales telles que la Chine peuvent renforcer leur pouvoir coercitif grâce à des relations interdépendantes sans libéraliser leur politique nationale et étrangère. La guerre commerciale de 2018 entre la Chine et les États-Unis met en lumière les risques associés à l'interdépendance économique dans le monde contemporain. Cette thèse contribue à la compréhension de l'interdépendance dans les relations internationales en mettant l'accent sur les effets intermédiaires de la décentralisation étatique. Elle suggère que dans un système d'État décentralisé, les gouvernements infranationaux sont plus susceptibles de développer des préférences en matière de politique étrangère et de participer activement aux affaires internationales. En Chine, ces politiques étrangères locales limitent avec succès les intérêts concurrentiels à somme nulle de l'État central. Les provinces côtières de la Chine, qui sont plus intégrées au marché mondial, sont moins intéressées par les stratégies économiques dirigées par l'État, telles que l'initiative Belt et Road. À la recherche de capitaux étrangers et de technologies, certains gouvernements locaux en Chine ont également établi une coopération en matière de contrôle des émissions de carbone avec des États étrangers et poussé l'État central à prendre des engagements plus fermes en matière de changement climatique. Les conclusions de cette thèse suggèrent que, si les États libéraux utilisent les opportunités associées à la décentralisation de l'État dans les puissances mercantiles, l'interdépendance économique peut conduire à des relations de coopération dans le monde contemporain
From cocoon to biomaterial: designing and engineering biocompatible, tunable, and photo-responsive cell growth surfaces with Bombyx mori silk
No full textThe design of materials that support cell and tissue growth is complex, due to the multitude of chemical and physical properties which govern basic biological processes such as adhesion, growth and migration. While synthetic polymers have been demonstrated to be an effective, stable and low-cost platform of materials to cultivate cells, they are often poor mimics of a true tissue environment. Bio-inspired and bio-sourced materials present a well-tolerated and tailorable platform for culturing cells, at the expense of stability and higher cost. Within Chapter 2, we explore this duality and study both naturally-derived and synthetic polyelectrolyte surface coatings for the culturing neurons. We assembled polyelectrolyte multilayer (PEM) surfaces with the aim of creating enhanced alternative surfaces to polylysine – the coating of choice. Oligodendroglial and cortical neural cells were cultured onto the PEM substrates and three newly developed silk-based surfaces were found to significantly outperform PDL after substrate optimization. Chapter 3 further explores silk as a potential platform for supporting human abdominal aortic endothelial cells (HAAECs). HAAECs are sensitive to the hydrophilicity of the substrate they are cultivated on. Thus, to address this, a family of chemically modified silks were created by transforming their pendant tyrosines into azobenzenes through diazonium coupling chemistry. A family of 16 azosilks were synthesized and assessed for their viability using a standard live/dead assay. A linear trend of HAAEC viability with respect to contact angle was observed and demonstrated that more hydrophobic surfaces exhibited higher cellular survival. A sodium sulfanilate azosilk derivative achieved the highest viability (~90%) and was chosen to be further processed into electrospun mats. The mats had a fiber diameter of 140 ± 15 nm and exhibited both a suitable indentation modulus (16 kPa) and a compliance (230 ± 43 MPa) similar to native vascular tissue. The modulus of our azosilk materials were able to be further refined through photo-softening, decreasing an additional 10x to 0.6 kPa. In Chapter 4 we explore the photomechanical properties exhibited by azosilk films, as the incorporation of azobenzene into a biomaterial creates an externally addressable, yet biologically supportive, material. A sodium sulfanilate derivative of azosilk was studied using two-photon microscopy (800 nm). Upon exposure to high intensity light (100 μJμm−2), fluorescent blisters rose from the surface which were confined to the area that the laser irradiated. These blisters were found to be filled with water, and exhibited a dramatic photo-softening effect, with modulus softening from 12 kPa to 0.6 kPa. The extent of this effect was controllable and depended on the depth at which the material was written in. Chapter 5 expands the knowledge gained in Chapter 4 towards creating surfaces for optical control of cell migration. Raised features and modulus gradients have been known to be key physical guidance cues for cells. A reliable, timely, and cheap solution for the creation of surfaces with such features has not been fully explored. Thus, as a proof of principle, an azosilk surface was inscribed with patterns, and Chinese hamster ovary cells were cultured onto the patterned surface. Cell speed, spread area and number of focal adhesions were quantified and compared to the non-patterned area. Cells which were positioned specifically between patterns of lines and dots were found to migrate significantly faster than cells on non-patterned surfaces. Further refinement of these surfaces is currently under investigation; however, the preliminary results show great promise, and azosilk itself may represent a new platform of highly customizable and photo-responsive cell guidance surfaces for studying the cell migration.La conception des matériaux qui supportent la croissance des cellules et des tissus est complexe en raison de la multitude de propriétés chimiques et physiques qui régissent les processus biologiques de base tels que l'adhésion, la croissance et la migration. Bien que les polymères synthétiques se soient révélés être une plate-forme de matériaux efficace, stable et peu coûteuse pour cultiver les cellules, ils sont souvent de mauvais imitateurs d'un véritable environnement tissulaire. Les matériaux bio-inspirés et biosourcés constituent une plate-forme bien tolérée et adaptée pour la culture de cellules, au détriment de la stabilité et d'un coût plus élevé. Dans le chapitre 2, nous explorons cette dualité, et étudions à la fois les revêtements de surface polyélectrolytes naturels et synthétiques pour les neurones en culture. Nous avons assemblé des surfaces compose des multicouches polyélectrolytiques (MPE) dans le but de créer des surfaces alternatives améliorées à la polylysine – le revêtement de choix. Des cellules neurales corticales et oligodendrogliales ont été cultivées sur des substrats de MPE et trois nouvelles surfaces à base de soie se sont révélées nettement plus performantes que le PDL après optimisation du substrat. Le chapitre 3 explore plus avant la soie en tant que plate-forme potentielle pour soutenir les cellules endothéliales de l'aorte abdominale humaine (CEAAH). Ainsi, pour remédier à cela, une famille de soies modifiées chimiquement a été créée en transformant leurs tyrosines pendantes en azobenzènes par chimie de couplage au diazonium. Une famille de 16 azosilks a été synthétisée et sa viabilité a été évaluée en utilisant un test vivant / mort standard. Une tendance linéaire de la viabilité de CEAAH par rapport à l'angle de contact a été observée et a démontré que des surfaces plus hydrophobes présentaient une survie cellulaire supérieure. Un dérivé de sulfanilate de sodium azosilk a atteint la viabilité la plus élevée (~ 90%) et a été choisi pour être ensuite transformé en tapis électrospécifiques. Les mats avaient un diamètre de fibre de 140 ± 15 nm et présentaient à la fois un module d'indentation approprié (16 kPa) et une compliance (230 ± 43 MPa) similaire au tissu vasculaire natif. Le module de nos matériaux en azosilk a pu être affiné grâce au photo-ramollissement, en diminuant de 10 à 0,6 kPa supplémentaires. Au chapitre 4, nous explorons les propriétés photomécaniques présentées par les films en azosilk, car l'incorporation de l'azobenzène dans un biomatériau crée un matériau externe, mais biologiquement favorable. Lors de l'exposition à une lumière de forte intensité (100 μJμm-2), des cloques fluorescentes sont apparues de la surface, confinées à la zone d'irradiation du laser. On a constaté que ces vésicules étaient remplies d'eau et présentaient un effet spectaculaire de photo-ramollissement, avec un module de ramollissement de 12 kPa à 0,6 kPa. L'étendue de cet effet était contrôlable et dépendait de la profondeur à laquelle le matériel était écrit Le chapitre 5 élargit les connaissances acquises au chapitre 4 en vue de créer des surfaces pour le contrôle optique de la migration cellulaire. Ainsi, comme preuve de principe, une surface azosilk a été inscrite avec des motifs, et des cellules ovariennes de hamster chinois ont été cultivées sur la surface à motif. La vitesse de la cellule, la surface de propagation et le nombre d'adhérences focales ont été quantifiés et comparés à la zone sans motif. Les cellules qui étaient positionnées spécifiquement entre les motifs de lignes et les points se sont avérées migrer beaucoup plus rapidement que les cellules sur des surfaces sans motif. Cependant, les résultats préliminaires montrent une grande promesse et azosilk lui-même peut représenter une nouvelle plate-forme de surfaces de guidage cellulaire hautement personnalisables et photo-sensibles pour étudier la migration cellulaire