비폭발식 분리장치가 포함된 De-orbiter 장치 개발 : Design and fabrication of the De-orbiter integrated with non-explosive separation device

황국하 한국항공대학교 일반대학원 2017 국내석사

As satellites are actively developed nowadays, space debris has rapidly increased due to end-of-life satellites or collisions among satellites. Hence, developed countries such as Europe, USA, etc made a policy in which end-of-life satellites go out of its orbit to reduce the space debris. Especially, many researches on ’drag force sail’, one of mitigating methods among many different ways of deviation from orbit, have been conducted. Following this trend, De-orbiter device using Drag-sail is suggested and concept design has been shown in this paper. In the process of designing the device, we focused on following points : stowed sail with minimum volume and deployment of sail to have maximum area, design of separation mechanism and actuator considering mass and volume. To verify the quantitative/qualitative target specification of small satellite, we computed the de-orbit time with the below input conditions; below 150 kg, below 800 km altitude, above 10 m area of drag sail. As the result, we obtained de-orbit time of 16.68 years. The result satisfies European Space Agency recommended re-entry time of 25 years. In addition, deployment method based on tape spring is chosen to reduce mass and volume in this research. Moreover, we applied simple working principle to separation mechanism to shackle tape spring through SMA wire by considering benefits of actuator. Analysis for stability and reliability is highly important because the above technology must operate well when satellite is end-of-life. To analyze reliability of one-shot device like Drag-sail deployment device, FMECA and FTA have been introduced and calculation for reliability using analysis for system diagram of malfunction has been done. As the analysis result based on system diagram of malfunction, the reliability of Drag-sail deployment device was 0.999868. Based on criticality analysis, the most influential mechanical parts on reliability are detected and improvement plan was suggested.

오비터 압축기 성능에 대한 실험적 연구

고원 인천대학교 대학원 2006 국내석사

HPGe 검출기를 이용한 Full Spectrum 감마선분광분석법 연구

정미영 과학기술연합대학원대학교 2014 국내석사

감마선분광분석시스템은 지표면 및 대기에 함유 되어 있는 방사성 물질의 핵종 분석 및 방사능 측정에 많이 사용된다. 특히 고순도 게르마늄 (HPGe) 감마선분광분석시스템은 지구나 달의 토양에 있는 천연방사성핵종(U-238 계열, Th-232 계열 그리고 K-40)에 대한 분광분석에 많이 이용된다. HPGe 감마선분광분석에서 측정 샘플의 방사능을 결정하기 위해서 일반적으로 사용되는 방법은 Window Analysis (WA) 방법이다. WA 방법에서는 측정된 스펙트럼의 관심 에너지 피크만을 고려하기 때문에 통계적으로 유의한 면적을 얻기 위해서는 측정시간이 길어진다. 또한 측정 데이터 분석시간도 길어진다. 또 다른 분석방법인 Full Spectrum Analysis (FSA)는 WA와 달리 전체 에너지스펙트럼을 고려한다. FSA 방법에서는 모든 에너지피크 뿐만 아니라 감마선의 컴프턴 산란에 대한 기여도 포함하여 짧은 시간에 충분한 통계적 유의성을 얻을 수 있다. 본 논문에서는 FSA 방법의 유효성을 확보하였다. 한국표준과학연구원에서 보유하고 있는 120% HPGe 감마선분광분석시스템을 이용하여 IAEA 표준물질(RGU와 RGTh)과 KCl 샘플, 그리고 토양 샘플을 측정하여 감마선의 에너지 스펙트럼을 획득하였다. 획득한 에너지 스펙트럼에 각각 WA 방법과 FSA 방법을 적용하여 토양 샘플에 존재하는 천연방사성핵종인 K-40, Th-232 그리고 U-238의 방사능 농도를 구하여 상호 비교하였다. WA 방법에서는 관심에너지피크인 K-40(1461 keV), Th-232 계열의 핵종인 Ac-228(338 keV, 795 keV, 911 keV, 969 keV)와 Bi-212(727 keV), U-238 계열의 핵종인 Pb-214(295 keV, 352 keV)와 Bi-214(609 keV, 1120 keV, 1238 keV, 1764 keV, 2204 keV)을 사용하여 방사능 농도를 구하였다. FSA 방법에서는 토양의 전체 에너지 스펙트럼을 기준 에너지 스펙트럼과 최소자승법에 의한 피팅을 수행하여 K-40, Th-232 그리고 U-238의 방사능농도를 구하였다. WA 방법과 FSA 방법에 의한 방사능 농도는 K-40 경우에는 3% ~ 4%, Th-232 경우에는 5% ~ 8%, 그리고 U-238에는 7% ~ 10% 정도의 차이로 서로 일치하였다. 측정불확도가 10% 임을 고려하면, FSA 방법에 의한 측정결과와 WA 방법에 의한 측정결과가 불확도 범위 내에서 일치하였다. 즉 FSA 방법의 유효성이 확립되었고, FSA 방법은 달에서의 측정과 같이 열악한 환경에서는 WA 방법에 대한 좋은 대안적인 방법임을 의미한다. The Odyssey of the NASA's Mars exploration program and the SELENE (Kaguya) of the Japanese lunar orbiting spacecraft were loaded with Gamma-Ray Spectrometers (GRS) for analysing radioactive chemical elements of the atmosphere and the surface. Gamma-ray spectroscopy with a High-Purity Germanium (HPGe) detector has been the most widely used for activity measurements of natural radionuclide contained in the soil of the Earth. The energy spectra obtained by the HPGe detectors has been generally analysed by means of the Window Analysis (WA) method. In this method the activity concentration is determined by using the net counts of the energy window around individual peaks. An alternative method, so-called the Full Spectrum Analysis (FSA) method, uses the counts not only from the full-absorption peaks but from the contributions of the Compton scattering of gamma-rays. Consequently while the WA method takes a substantial time to have a statistically significant result, the FSA method takes a much shorter time to reach the same level of the statistical significance as the WA method. In this paper, the concentration of radioactivity of K-40, Th-232 and U-238 in the soil sample was determined by using the WA method and FSA method. The gamma-ray spectra of IAEA reference materials (RGU and RGTh), KCl and soil samples were measured by 120% the HPGe detector with cosmic muon veto detector. The WA method used the gamma lines from K-40(1461 keV), Ac-228(338 keV, 795 keV, 911 keV, 969 keV) and Bi-212(727 keV) of the radioactive progeny of Th-232, and Pb-214(295 keV, 352 keV) and Bi-214(609 keV, 1120 keV, 1238 keV, 1764 keV, 2204 keV) of the radioactive progeny of U-238. Those gamma lines revealed the prominent peaks in the measured energy spectrum. The FSA used the full spectral shape including the contribution of the Compton scattering of gamma-rays and considered standard spectra for the calculation of the activity concentrations. The activity concentrations of the soil sample were determined from a fit of the calculated standard spectra to the measured soil sample. A Chi-square minimization technique was utilized for estimation of the optimum activity concentrations. The differences in the resultant activity concentrations between the two methods were found to be 3%~4%, 5%~8% and 7%~10% for the cases of K-40, Th-232 and U-238, respectively. As a result of the comparison of the activity concentrations between the FSA and the WA, we conclude that FSA method is validated against the WA method. This study implies that the FSA can be used in harsh measurement environments such as the gamma-ray measurement in the Moon, in which the same level of statistical significance as the WA method is usually required in a much shorter data acquisition time.

Orbits, Orbitals, and Dark Matter Halos: Nature and Relationships

Yavetz, Tomer Dov Columbia University ProQuest Dissertations & These 2022 해외박사(DDOD)

In this dissertation, we develop two novel methods for studying the nature of the Milky Way's dark matter halo. In both cases, we rely on the relationship between the dark matter halo's gravitational potential and the orbital structure it supports.The first method explores the morphology of stellar streams orbiting in non-spherical gravitational potentials. When globular clusters or dwarf galaxies fall into the Milky Way, tidal forces shred them into long filaments of stars called stellar streams. We show that in non-spherical potentials, stream morphologies are heavily dependent on the characteristics of the progenitor's orbit. Flattened axisymmetric galactic potentials, for example, are known to host minor orbit families surrounding special orbits with commensurable frequencies. The behavior of orbits that belong to these orbit families is fundamentally different from that of typical orbits with non-commensurable frequencies. We show that streams evolving near the boundaries, or separatrices, between orbit families, may become fanned out, develop a bifurcation, or both. We utilize perturbation theory to estimate the timescale of this effect and the likelihood of a stream evolving close enough to a separatrix to be affected by it.Next, we study the dynamical reasons for stream fanning and bifurcations near resonances, and find that each morphological outcome has a slightly different dynamical cause. Using a novel numerical approach for measuring the libration frequencies of resonant and near-resonant orbits, we reveal that fans come about due to a large spread in the libration frequencies near a separatrix, whereas bifurcations arise when a separatrix splits the orbital distribution of the stellar stream between two (or more) distinct orbit families. We then demonstrate how these features can arise in streams on realistic galactic orbits, in realistic galactic potentials, over timescales as short as 2-3 Gyr, and discuss how this might be used to constrain the global shape of the Milky Way's gravitational potential.The second method studied in this dissertation enables dynamical tests of a dark matter candidate known as Fuzzy (or Ultra-Light) Dark Matter. Our method relies on a wave generalization of the classic Schwarzschild approach for constructing self-consistent halos -- such a halo consists of a suitable superposition of waves instead of particle orbits, chosen to yield a desired mean density profile. As an illustration, we apply the method to spherically symmetric halos. We derive an analytic relation between the particle distribution function and the wave superposition amplitudes, and show how it simplifies in the high energy (WKB) limit. We verify the stability of such constructed halos by numerically evolving the Schrodinger-Poisson system. The proposed algorithm provides an efficient and accurate way to simulate the time-dependent halo substructures from wave interference, and to test how they will affect dynamical tracers or other observables in a galaxy.The dissertation concludes with a brief discussion of the future prospects of these two methods, especially in the context of upcoming ground- and space-based missions like Rubin LSST and the Roman Space Telescope.

안와내벽파열골절의 비강내 내시경적 접근을 통한 교정에서 사골동내 충전에 따른 안와용적 변화

김경훈 부산대학교 대학원 2008 국내석사

Endoscopic transnasal correction of the medial orbital wall fractures has an advantage of easier anatomic access to the lesion, precise packing under accurate visual coordination during reduction, no need of alloplastic material, and moreover leaves no external scarring. But this apporach cannot enable us to confirm reduction degree of orbit tissue without imaging modalities. So we intend through this study to make a quantative analysis of preoperative orbital volume increment and reduction degree of orbital volume after ethmoidal sinus packing using CT scan. Endoscopic transnasal correction was undergone on patients with medial orbital wall fracture at Pusan National University Hospital between March 2006 and March 2007. In this retrospective study, 22 patients were selected to evaluate the postoperative volume reduction, who took 2 CT scans, pre- and postoperative, under the same protocol. The postoperative CT scan was carried out in about 5 days after the operation with packing inserted in ethmoidal sinus. The area of fractured wall and the orbital volume changes were measured using both CT scans. The dimension of fractured wall and orbital volume were measured before surgery. The mean dimension of fractured walls was 2.86 ± 0.99 cm2. The mean orbital volume of the unaffected orbits was 22.89 ± 2.15 cm3 and that of the affected orbits was 25.62 ± 2.82 cm3. The mean orbital volume increment of the affected orbits was 2.73 ± 1.13 cm3. The orbital volume increment in fractured orbit showed linear correlation with the dimension of fractured area. After surgery, The mean orbital volume of the unaffected orbits was 22.46 ± 2.73 cm3 and the mean orbital volume decrease on the surgical side was 2.98 ± 1.07cm3. The orbital volume changes after ethmoidal sinus packing also showed linear correlation with orbital volume increment in fractured orbit. The estimated correction rate was 118.30%. This study showed the regressive linear correlation between the increment of orbital volume and the correction rate. To evaluate the maintenance of reduction state, we think further study should be done about comparative analysis of orbital volume change after removal of packing.

Orbit determination strategy using single frequency GPS data

황유라 University of Colorado 2003 해외박사

This thesis presents an orbit solution determined by various ionospheric error correction schemes for LEO (Low Earth Orbit) satellites carrying single frequency GPS receiver. A scale factor, dependent on satellite altitude, was applied to the model-based ionosphere correction method. The direct-calibration method, DRVID (Differenced Range Versus Integrated Doppler), used the difference of group delay and phase advance to correct for the first order ionospheric error. The ionospheric error was corrected using an assumption of zero-bias at the minimum range epoch. This assumption introduces some orbit error. The disadvantage of the zero-bias assumption was overcome by estimating measurement bias during the orbit determination process. The fidelity of the ionospheric error correction methods was demonstrated by evaluating the orbit accuracy using the CHAMP (Challenging Mini-satellite Payload) satellite. The orbit accuracy study for the LEO satellite was completed using the MicroCosm software. The conventional dynamic orbit solution method estimated position, velocity, empirical accelerations along the cross-track and along-track directions, a drag coefficient, and a solar pressure coefficient. The orbit overlap differences, calculation of the orbit difference from dual frequency truth orbits, and comparison with JPL (Jet Propulsion Laboratory)'s POD (Precise Orbit Determination) were used as methods for evaluating orbit accuracy. The orbit overlap solution resulted in a level of several tens of centimeters RSS in a 3-D sense if the ionospheric error was corrected. The orbit, estimated by the DRVID carrier phase data, differed by 40 centimeters RSS from the truth orbit. However, the orbit determined without any ionospheric error correction showed 2.4 meters RSS in a 3-D sense in comparison to the truth orbit. The orbits compared to the JPL's POD solution over four days appeared to be less than 1 meter RSS difference in a 3-D sense for both the ionosphere-free orbit and the orbit using DRVID carrier phase data. The analyses showed that the DRVID ionospheric error correction method can determine the orbit accuracy below the meter level with a single frequency receiver on the LEO satellite.

Spin Orbital Coupling in 5d Transition Metal Oxides and Topological Flat Bands

Zhang, Wenjuan ProQuest Dissertations & Theses The Ohio State Uni 2021 해외박사(DDOD)

Spin orbit coupling (SOC) is a relativistic phenomenon that couples the spin angular momentum of an electron to its orbital angular momentum. This leads to remarkable consequences for the motion of electrons in a crystalline solid that are not only magnified but also qualitatively different when electrons interact strongly with each other. As one goes down the periodic table, the strength of SOC usually increases due to the larger positive charge of the nucleus that produces an enhanced magnetic field felt by electrons. On the other hand, electron–electron correlations, characterized by on–site Coulomb repulsion U, decrease due to the larger extent of the orbitals. Hence a perfect playground to study the competition between correlations and SOC are the transition metal compounds with partially filled 4d and 5d orbitals. My research focuses how this interplay between strong correlations and SOC gives rise to unconventional magnetic structures with unusual properties, where both the orbital and spin orderings dictate the nature of magnetism. Since orbitals are directional and couple to the lattice, magnetism in these materials can be manipulated by external strain, providing a new knob to tune their magnetic properties. Specifically, I obtained phase diagrams of cubic 5d double perovskite Mott insulators in which the transition metal ion is surrounded by an octahedral cage of oxygen atoms. My calculations performed at a mean-field level are able to explain long-standing experimental puzzles related to missing entropy and unusual magnetic susceptibilities in these compounds. In addition, I also construct low energy effective Hamiltonian for distorted 5d1 double perovskite Mott insulators and find AFM ground states with mean–field theory, which matches experimental results. A new design principle for topological flat bands utilizing strong spin–orbit coupling and orbital frustration is proposed on a honeycomb lattice of transition metal ions.

Spin-orbit coupling driven electronic properties in 4d transition metal layered perovskites

권준영 서울대학교 대학원 2021 국내박사

응집 물질 물리에서는 전자의 다양한 성질들이 서로 간에 상호 작용을 일으키면서 물성을 형성하는 것이 잘 알려져 있다. 대표적인 예로 전자 간의 전기적 상호 작용이 강한 물질은 강상관계 물질로 불리며 모트(Mott) 절연체나 초전도체 등을 형성하는 주요 원인이라고 알려져 있고, 전자의 스핀 간의 상호 작용은 복잡한 자성체를 구성하는 기본적인 현상이라는 것이 알려져 있다. 최근 다양한 방향으로 물성 연구가 확장된 결과, 스핀과 궤도의 상호 작용도 또한 새로운 물성을 이루는 중요한 현상이라는 것이 보고되었다. 스핀-궤도 상호 작용은 일반적으로 무거운 원자로 이루어진 물질군에서 그 특성이 확연하게 발현되는 현상으로, 비스무트와 같은 무거운 원자로 이루어진 Bi$_2$Se$_3$과 같은 물질에서 위상 절연체의 특성이 발견되면서 물성 연구에 큰 반향을 일으켰으며, 이리듐이나 백금과 같은 물질이 자성 물질의 조합되면 새로운 자기적 상호 작용에 의해 스커미온(skyrmion)과 같은 새로운 자성이 나타날 수 있다는 것이 보고되었다. 특히 Sr$_2$IrO$_4$ (SIO)에서는 이리듐 원자의 5d 궤도가 큰 전기적 상호 작용을 일으키지 못하는 것에도 불구하고 스핀-궤도 상호 작용에 의해 형성된 새로운 전자 고유 상태에서 전기적 상호 작용 효과가 극대화됨으로 인해서 모트 절연체가 될 수 있다는 것이 알려져 있다. 위와 같이 최근의 물성 연구는 스핀-궤도 상호 작용으로 인해 무거운 원자로 이루어진 물질들을 중심으로 과거보다 넓은 범위의 물질 연구가 이루어지고 있다. 본 연구에서는 위와 같은 스핀-궤도 상호 작용 연구를 확장하여 새로운 이해를 도출하고자 한다. 스핀-궤도 상호 작용에 관한 연구는 위와 같이 무거운 원자로 이루어진 물질에서 극단적이고 단순화된 모델을 바탕으로 연구가 활발하게 이루어졌다. 반면 같은 가벼운 원자로 이루어진 물질에서는 그 중요도가 떨어진다는 것이 일반적인 생각이다. 3d 전이 금속 산화물에서는 전자의 궤도가 결정 구조에 크게 영향을 받아 스핀-궤도 상호 작용은 가려지고 작용하지 않는다고 알려져 있다. 하지만 최근 연구에 따르면 4d 전이 금속 산화물에서 스핀-궤도 상호 작용의 역할이 주목을 받게 되었다. 루테늄이나 로듐과 같은 4d 전이 금속은 스핀-궤도 상호 작용의 크기가 150 meV 정도라는 것이 알려져 있어 물질의 밴드 구조에 큰 영향을 끼칠 수 있으며, 그 밴드의 특성이 5d 전이 금속의 경우와 비슷한 특성을 갖는다는 것이 보고 되었다. 나아가 4d 전이 금속 산화물에서는 스핀-궤도 상호 작용이 극단적으로 큰 5d 전이 금속 물질과는 달리 상대적으로 작기 때문에 다른 물성의 영향을 받게 된다. 따라서 전자의 전기적 상호 작용이나 자기적 상호 작용 등이 스핀-궤도와 함께 물리적 현상에 영향을 미치며, 스핀-궤도 상호 작용과 영향을 주고 받는 것을 기대할 수 있다. 본 연구는 위와 같이 상대적으로 작은 스핀-궤도 상호 작용과 다른 상호 작용 간의 복잡한 물리적 현상을 이해함으로써 단순화된 시스템에서 벗어나 스핀-궤도 상호 작용의 더 깊은 이해를 도모하고자 한다. 본 연구는 두 개의 4d 전이 금속 산화물 시스템을 통해 스핀-궤도 상호 작용의 이해를 넓히고자 한다. 첫 번째로 전자를 도핑한 Sr$_2$RhO$_4$ (SRhO) 물질은 크지도 작지도 않은 중도의 스핀-궤도 상호 작용을 보여줄 수 있는 시스템이다. SIO와 유사한 밴드 구조를 가지고 있음에도 불구하고 SRhO는 모트 절연체인 SIO와는 달리 두 개의 밴드(band)로 이루어진 금속 특성을 가지고 있다. 이는 스핀-궤도 상호 작용이 SRhO에서 상대적으로 작기 때문에 나타나는 현상으로, 두 개의 밴드가 충분히 에너지 상에서 멀어지지 않았기 때문에 발생하는 현상이다. 두 밴드의 작은 에너지 준위 차이로 인해 SRhO는 전자의 도핑에 따라 하나의 밴드가 페르미 준위 아래로 내려가는 리프시츠(Lifshitz) 전이 현상을 일으킬 수 있다. 본 연구에서는 이 리프시츠 전이와 동시에 남아있는 밴드에서 금속-비금속 상전이 현상이 일어나는 것을 확인하였다. 본 연구는 각분해 광전자 분광(angle-resolved photoemission spectroscopy) 실험을 통해 밴드 구조를 직접적으로 측정함으로써 위와 같은 현상을 제안하고 스핀-궤도 상호 작용에 의한 밴드 구조가 어떤 방식으로 금속-비금속 상전이 현상으로 이루어지는지에 관한 아이디어를 제시하고자 한다. 두 번째 시스템은 Sr$_2$Ru$_{1-x}$Ir$_x$O$_4$ (SRIO)이다. 도핑되지 않은 Sr$_2$RuO$_4$ (SRO)는 금속 특성을 보이는 시스템으로 세 개의 밴드가 페르미 준위에 존재하는 것이 확인된 바 있다. 여기에 이리듐을 도핑하면 전자의 갯수, 스핀-궤도 상호작용, 결정 구조 등 다양한 물성이 변화하는 것을 기대할 수 있는데, 이와 같은 물성이 변화하여 SIO 시스템에서는 앞서 말한 바와 같이 스핀-궤도 상호 작용에 의한 모트 절연체 상태가 되는 것이 잘 알려져 있다. 하지만 그 중간 상태에서의 밴드 구조는 충분한 이해가 이루어지지 않았는데, 본 연구에서는 SRO에서 SIO까지 도핑에 따른 복잡한 물성 변화에 따른 밴드 구조를 각분해 광전자 분광 실험을 통해 조사하고자 하였다. 분광 실험에 의하면 SRO의 밴드가 도핑에 의해 그 특성이 변화하면서 밴드 간의 이방성(anisotropy)가 존재하는 것을 발견하였으며, 이방성으로 인해 하나의 밴드에 이리듐이 공급하는 모든 전자가 도핑되는 궤도-선택적 전자 도핑 현상이 발견되는 것을 발견하였다. 본 연구는 밀접 결합 근사를 이용한 밴드 구조 계산을 통해 각 물성 변화에 따른 밴드 구조 변화 경향을 파악하고 궤도-선택적 전자 도핑 현상이 스핀-궤도 상호 작용에 의한 것이라는 해석을 제안하고자 한다. 본 연구는 두 개의 시스템의 총괄적인 연구를 통해 4d 전이 금속 산화물에서도 스핀-궤도 상호 작용이 새로운 물리적 현상을 만들어낼 수 있다는 점을 시사하고자 한다. 일반적인 물질은 다양한 물성이 충돌하면서 복잡한 현상을 야기시킨다는 것이 밝혀져 있으나 특히 스핀-궤도 상호 작용에 관한 연구는 복잡한 시스템보다는 단순화된 모델을 활용한 연구가 대부분이다. 본 연구를 통해 스핀-궤도 상호 작용이 아주 크거나 아주 작아 단순화할 수 있는 시스템 뿐만 아니라 중도의 크기 가지고 다른 물성과 상충하는 시스템에서도 스핀-궤도 상호 작용의 역할을 분리할 수 있으며 중요한 역할을 수행한다는 것을 알리고자 한다. 이를 통해 스핀-궤도 상호 작용에 대하여 더 깊은 이해를 도모하고, 복잡하다고만 알려졌던 4d 전이 금속 물질에서의 새로운 물성에 대한 연구 동기를 제안하고자 한다. A physical character of the condensed matters is based on various electronic interactions. The electric correlation leads to a Mott phase or a superconductivity, and the exchange energy between electron spins constructs complex magnetic properties. Recent studies reveals that, in many systems, the interaction between the electron spin and orbital is crucial. The spin-orbit coupling (SOC) introduces various novel properties in heavy atom compounds, which largely expands the interest of the material choice to the researchers. SOC is studied in many heavy atom systems such as Bi$_2$Se$_3$ with topological surface states, or Ir induced magnetic skyrmion with the SOC-driven magnetic interaction. The Sr$_2$IrO$_4$ (SIO) is another example of the strong SOC-driven physics, where the SOC induces new eigenstate of the bands to trigger enhance the effect of correlation to form a Mott phase in weakly correlated 5d transition metal oxide (TMO). This thesis expands the SOC-driven physics with different approach. The role of SOC in heavy atom compounds deals an extreme and simple regime of the SOC. On the other hand, in the lighter materials, the SOC is not considered as a primary parameter. In 3d TMOs, the SOC is even considered to be quenched because of crystal field driven orbitals are not favorable of SOC. However, the SOC is still effective in 4d TMOs. The magnitude of the SOC energy in 4d system is about 150 meV, which is large enough to reconstruct the band structure and provide similar eigenstates of 5d TMOs. Moreover, since the SOC strength is smaller than the extreme systems, the SOC would not be only parameter to affect the system. Therefore, one may consider the role of correlation, magnetic interaction or many different parameters to the system, and their relation with the SOC. Hence, this thesis is targeting the complex physics of the relatively smaller SOC under interruption from other interactions to pursue understanding of the SOC further. This thesis introduces the works on two different 4d TMO systems. First, the electron doped Sr$_2$RhO$_4$ (SRhO) shows a new exotic metal-insulator transition (MIT) due to moderately spin-orbit coupled band structure. Even though the band structure of the SRhO is similar to SIO, the SRhO shows 2-band metallic behavior, while well split SIO is a SOC-driven Mott insulator. The difference is due to smaller SOC of SRhO, which does not split the two bands enough to fully occupy the lower band. Because of the moderate split, the lower band can be fully occupied before the upper band showing the Lifshitz transition. At the same doping, the study revealed that there is a MIT in the upper band of the SRhO. This thesis introduces the properties of the novel MIT and would suggest the connection between the MIT and the SOC-driven Lifshitz transition. From the angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) to follow the doping dependent electronic structure, the study reveals the SOC has a crucial role to the MIT in electron doped SRhO. Second system is the Sr$_2$Ru$_{1-x}$Ir$_x$O$_4$ (SRIO). The none-doped compound Sr$_2$RuO$_4$ (SRO) is the metallic system with three bands on the Fermi level. The Ir substitution on the SRO may provide various parameter changes, which includes electron doping, change of SOC and even structure transition. Due to the large differences made by the doping, the SIO has $J_{eff}=1/2$ Mott phase, where only one half-filled band exists near the Fermi level, which is totally different electronic property compared to SRO system. This thesis tracks the complex change of electronic structure from the SRO to SIO, in order to seek a new physics from the complex parameter changes. From the ARPES experiment the study introduces the anisotropic change of the band, which cause the orbital-selective doping effect on one band. From the electronic structure analysis and tight-binding simulation, the study suggests the band renormalization by the SOC can provide the orbital-selective doping effect. The studies on 4d TMO systems shows the examples of the SOC-driven physics, even in the moderately small SOC regime. Even though the general materials have various physical parameters competing or interacting with each other, especially for the study of SOC, the most of the studies focused on the simplified models in extreme regime. This thesis may provide an example to distinguish the role of SOC from the other parameters and to verify the crucial role of SOC even in the moderate regime. Those examples may provide deeper understanding of the SOC, and would provide motivation to study the 4d TMO systems to seek new physics.

Spin-Orbit Coupling이 작은 스핀을 갖는 팔면체〔M(Ⅲ)A_(3)B_(3)〕형태 착물의 Zero-Field Splitting 및 쌍극자 모멘트에 미치는 영향

이기학 全北大學校 大學院 1979 국내석사

An effect of the spin-orbit coupling interaction of ligand orbitals on the ground state for octahedral 〔Ti(III)A₃B₃〕,〔V(III)A₃B₃〕,〔Fe(III)A₃B₃〕and〔Ni(Ⅱ)A₃B₃〕type complexes has been investigated in this work, applying the degenerated perturbation theory and on dipole moment for octahedral 〔Ti(III)A₃B₃〕, 〔V(III)A₃B₃〕, 〔Cr(III)A₃B₃〕, 〔Fe(III)A₃B₃〕, 〔□(III)A₃B₃〕and 〔Ni(III)A₃B₃〕type complexes was studies, too, using, the coordinated tranformation method. The wave functions are not affected but the energy level splitting for the ground state of those complexes by the spin-orbit coupling interaction of ligand orbitals. The extent of effect on the energy level splitting for the ground state is decreased in order Ti(III) > V(III)> Fe(III). The contribution of π bounding molecular orbitals to the dipole moments is found to be smaller than that of σ bonding molecular orbitals but this contribution may not negligible even for chelate complexes in which delocalization of π electrons is assumed. The calculated dipole moments (μ= μ_σ + μ_π) are closer to the experimental values than those for the case where only σ bounds are assumed to be formed, and are little different than those which are affected dipole moments for ground state by spin-orbit coupling.

(An) orbit-based explainability method for graph neural networks

Park, Kyeongrok Sungkyunkwan University 2023 국내석사

현존하는 GNN의 설명 방법론들은 설명 범위에 따라 모델 레벨과 인스턴스 레벨로 분류될 수 있다. 인스턴스 레벨의 설명은 GNN이 각 input data를 가지고 작업을 수행할 때 중요하게 본 노드, 엣지 또는 서브 그래프를 설명으로 제시한다. 이러한 설명은 GNN이 개별 데이터들을 분류할 때 어떠한 패턴을 중요하게 인식하였는지 파악하는데 도움을 준다. 모델 레벨의 설명은 GNN이 각각의 input data가 아닌 전체 데이터들을 특정 클래스로 분류할 때 중요하게 본 노드, 엣지 또는 서브 그래프를 설명으로 제시한다. 이러한 설명은 GNN이 데이터들을 분류할 때 사용한 보편적인 패턴을 분석하는 데 도움을 준다. 이렇듯 두가지 설명 모두 다른 관점에서의 GNN을 설명하는데 도움이 되기 때문에 중요하다. 그러나 두 가지 관점에서의 설명을 모두 제공하는 방법론은 존재하지 않는다. 이러한 한계점을 극복하기 위해 본 연구는 노드 분류 작업에 대해 인스턴스, 모델 레벨의 설명을 모두 제공하는 새로운 GNN 설명 방법론인 O-GNNExplainer를 제시한다. 우리의 방법론은 모티프 단위의 설명을 제공하기 위해 non-isomorphic subgraph들의 집합인 graphlet과 각 graphlet 내부의 구조적으로 구별되는 노드들인 orbit를 설명 단위로 사용한다. 또한 GNN을 embedding-model와 downstream-model로 분리하여 설명하고자한다. O-GNNExplainer는 우선 노드 representation vector들과 각 노드 별 orbit 존재 유무를 활용하여 orbit weight를 학습한다. 이후 downstream-model의 각 클래스 분류에 기여하는 weight를 orbit weight 단위로 분해하여 각 orbit의 기여도들을 모델 레벨의 설명으로 제공한다. 또한 각 노드들의 예측 결과를 orbit weight로 분해함으로써 instance 레벨의 설명 또한 제공할 수 있다. 우리는 synthetic-dataset에서 새롭게 제시한 task를 통해 O-GNNExplainer가 ground-truth motif를 모델 레벨의 설명으로 제시할 수 있는지 검증하였다. 또한 기존의 연구들에서 사용된 평가 기준들을 개선하여 다양한 real, synthetic dataset에서의 실험을 통해 O-GNNExplainer가 baseline method들 보다 높은 성능을 보여주는 것을 확인하였다. Graph Neural Networks (GNNs) have achieved state-of-the-art performance on a variety of tasks involving graph data. Due to these impressive performances, numerous studies on GNN explainability have emerged. Existing GNN explainability studies can be categorized into model-level and instance-level methods. Model-level methods provide subgraphs that contribute significantly to the overall behavior of GNNs with respect to specific class labels. In contrast, instance-level methods aim to identify important subgraphs within individual data instances. While both perspectives are invaluable for understanding the behavior of a model, it is more beneficial to offer explanations in a more human-interpretable unit within a unified framework. In this paper, we propose an explanation model, O-GNNExplainer, capable of decomposing the predictions of existing GNNs at both the model-level and instance-level, using the orbit as the unit of explanation. Notably, O-GNNExplainer can decompose the learning results of GNNs into 73 orbit units in predefined graphlets, demonstrating interpretable results in various domains, including biology and social network. In our experiments, O-GNNExplainer consistently outperformed existing baselines in generating explanations across six distinct datasets.