Accurate modeling and simulation of wave propagation in dispersive dielectrics such as water, human tissue and sand, among others, has a variety of applications. For example in medical imaging, electromagnetic waves are used to interrogate human tissue in a non-invasive manner to detect anomalies that could be cancerous. In non-destructive evaluation of materials, such interrogation is used to detect defects in these materials. In this thesis we present the construction and analysis of two novel operator splitting methods for Maxwell's equations in dispersive media of Debye type which are used to model wave propagation in polar materials like water and human tissue. We construct a sequential and a symmetrized operator splitting scheme which are first order, and second order, respectively, accurate in time. Both schemes are second order accurate in space. The operator splitting methods are shown to be unconditionally stable via energy techniques. Their accuracy and stability properties are compared to established schemes like the Yee or FDTD scheme and the Crank-Nicolson scheme. Finally, results of numerical simulations are presented that confirm the theoretical analysis. / Graduation date: 2012 / Access restricted to the OSU Community at author's request from June 20, 2012 - Dec. 20, 2012

This work presents detailed numerical calculations of the dielectrophoretic force in octupolar traps designed for single-cell trapping. A trap with eight planar electrodes is studied for spherical and ellipsoidal particles using an indirect implementation of the boundary element method (BEM). Multipolar approximations of orders one to three are compared with the full Maxwell stress tensor (MST) calculation of the electrical force on spherical particles. Ellipsoidal particles are also studied, but in their case only the dipolar approximation is available for comparison with the MST solution. The results show that the full MST calculation is only required in the study of non-spherical particles. / Singapore-MIT Alliance (SMA)

In this thesis we investigate the superenergy tensor that was introduced by Chevreton in 1964 as an electromagnetic counterpart to the Bel-Robinson tensor for the gravitational feld. We show that in Einstein-Maxwell spacetimes with a source-free electromagnetic feld, the Chevreton superenergy tensor has many interesting properties. It is a completely symmetric rank-4 tensor and it gives rise to conserved currents for orthogonally transitive 1- and 2-parameter isometry groups. The trace of this tensor is divergence-free and it is related to the Bach tensor. We investigate the implications for when the trace vanishes and we are able to determine the full set of such spacetimes. We use this to treat the problem of Einstein{-Maxwell spacetimes that are conformally related to Einstein spaces and we find new exact solutions with this property.

Dans cette thèse, on développe des estimateurs d'erreur a posteriori, pour l'approximation par éléments finis des équations de Maxwell en régime harmonique et des équations de réaction-diffusion. Introduisant d'abord, pour le système de Maxwell, des estimateurs de type résiduel, on étudie la dépendance des constantes intervenant dans les bornes inférieures et supérieures en fonction de la variation des coefficients de l'équation, en les considérant d'abord constants puis constants par morceaux. On construit ensuite un autre type d'estimateur, basé sur des flux équilibrés et la résolution de problèmes locaux, que l'on étudie dans le cadre des équations de réaction-diffusion et du système de Maxwell. Ayant introduit plusieurs estimateurs pour l'équation de Maxwell, on en propose une étude comparative, au travers de tests numériques présentant le comportement de ces estimateurs pour des solutions particulières sur des maillages uniformes ainsi que les maillages obtenus par des procédures de raffinement de maillages adaptatifs. Enfin, dans le cadre des équations de diffusion, on étend la construction des estimateurs équilibrés aux méthodes éléments finis de type Galerkin discontinues.

A partir de l'établissement d'une approximation in stationnaires en 3D des potentiels retardés pour des courants électromagnétiques sur des polyèdres non-nécessairement convexes, une méthode de résolution pour la simulation de la diffraction par un ensemble non-connexe d'objets est formulée. Une partition de ce dernier est effectuée suivant les inhomogénéités présentes. Le problème est alors traduit en un système d'équations de Maxwell couplées, chacune étant homogène hors d'un élément correspondant de la partition, qui induit la construction d'une solution du problème initial. Par approximation des termes de couplage, il s'en suit une méthode naturellement hybride et parallèle sur un système stable et bien-posé. La restriction de chaque sous-système à un voisinage du support de ses inhomogénéités est obtenue par introduction de conditions aux limites absorbantes de type "PML" dont un formalisme généralisé est étudié. Des exemples numériques illustrent l'ensemble de ces développements.

This dissertation details our experiments on studying the Brownian motion of an optically trapped microsphere with ultrahigh resolution, and cooling of its motion towards the quantum ground state. We have trapped glass microspheres in water, air and vacuum with optical tweezers. We developed a detection system that can monitor the position of a trapped microsphere with Angstrom spatial resolution and microsecond temporal resolution. We studied the Brownian motion of a trapped microsphere in air over a wide range of pressures. We measured the instantaneous velocity of a Brownian particle. Our results provide direct verification of the Maxwell-Boltzmann velocity distribution and the energy equipartition theorem for a Brownian particle. For short time scales, the ballistic regime of Brownian motion is observed, in contrast to the usual diffusive regime. We are currently developing a new detection system to measure the instantaneous velocity of a Brownian particle in water. In vacuum, we have used active feedback to cool the three center-of-mass vibration modes of a trapped microsphere from room temperature to millikelvin temperatures with a minimum mode temperature of 1.5 mK, which corresponds to the reduction of the root mean square (rms) amplitude of the microsphere from 6.7 nm to 15 pm for that mode. The mean thermal occupation number of that mode is reduced from about 6.8$\times 10^8$ at 297 K to about 3400 at 1.5 mK. / text

This thesis is concerned with the irreversibility of certain information processing operations. The two main results of this thesis concern the recording and erasure of information on a physical memory and the measurement, or acquisition of information by a physical device. These operations are shown to be irreversible, and their degree of irreversibility is related to the amount of information processed.

Dans cette thèse, nous nous intéressons à la résolution des équations de Maxwell dans une structure périodique constituée d'un anneau mince de matériau diélectrique de rayon moyen r à l'intérieur duquel s'enroulent deux nappes de fils hélicoïdaux. L'épaisseur de l'anneau et la distance entre deux fils consécutifs sont du même ordre de grandeur d et nous supposons que d est bien inférieur à la longueur d'onde de l'onde incidente ainsi qu'au rayon moyen r. La présence des deux échelles rend les simulations numériques directes difficiles (il est alors nécessaire de mailler la structure à l'échelle du fil). C'est pourquoi nous construisons des modèles approchés dans lesquels l'anneau périodique est remplacé par une condition de transmission posée sur l'interface médiane S. La résolution du modèle approché par une méthode d'éléments finis est bien moins coûteuse que celle du problème exact car il n'y a plus besoin de mailler les fils. La construction des modèles approchés repose sur un développement asymptotique de la solution en fonction du petit paramètre d. Nous utilisons une méthode couplant les techniques d'homogénéisation et des développements asymptotiques raccordés. Les conditions de transmission approchées se construisent alors à l'aide du développement asymptotique tronqué. Nous accordons une attention particulière à la stabilisation des modèles approchés ainsi qu'à leur justification théorique. Enfin, nous validons nos modèles par des simulations numériques.

Thesis (Ph. D.)--Ohio State University, 2007. / Title from first page of PDF file. Includes bibliographical references (p. 127-134).

Thesis (Ph. D.)--West Virginia University, 2009. / Title from document title page. Document formatted into pages; contains x, 431 p. : ill. (some col.). Includes abstract. Includes bibliographical references (p. 416-431).