Bachelor’s Degree Projects

Bachelor's Degree Projects

Bachelor’s Degree Projects at the Department of Theoretical Condensed Matter Physics: 2018-2019

Coordinator: Pablo Pou Bell e-mail: pablo.pou(at)uam.es

5. Departamento de Física Teórica de la Materia Condensada

Basic concept of passive radiative cooling

5.1 Passive Radiative Cooling – Tutor: Juan Carlos Cuevas

Tutor: Juan Carlos Cuevas, juancarlos.cuevas(at)uam.es

Very recently it has been demonstrated that it is possible to cool down a system by simply exposing it to sunlight and without any electricity input [1]. This amazing and counterintuitive possibility, known as passive radiative cooling, could have a significant impact on global energy consumption. This physical phenomenon is based on the idea that the Earth’s atmosphere has a transparency window for electromagnetic radiation between 8 and 13 μm that coincides with the peak thermal radiation wavelengths at typical ambient temperatures. By exploiting this window, one can cool a body on the Earth’s surface by radiating its heat away into the cold out space. While nighttime radiative cooling has been widely studied in the past, only very recently it has been possible to demonstrate this phenomenon during daytime, which is obviously when the demand for cooling is highest. This has become possible due to the use of novel concepts from the field of nanophotonics related to the possibility to largely tune the thermal emission properties of an object [1]. The goal of this project is the theoretical study of the phenomenon of passive radiative cooling. To be precise, the student will learn the fundamentals of thermal radiation that are necessary for the description of this phenomenon. Then, the basic theory will be applied to the search for materials and structures that can improve the efficiency of radiative cooling strategies.

Figure 1: Basic concept of passive radiative cooling.

Figure 1: Basic concept of passive radiative cooling.

The TFG-EXP of this project will be carried out within the Nanophotonics practicum lab of the Departamento de Física Teórica de la Materia Condensada.
References
  1. A.P. Raman et al., Nature 515, 540 (2014); P. C. Hsu et al., Science 353, 1019 (2016); Y. Zhai et al., Science 355, 1062 (2017).

 

 

 


Experimento 1

5.2 Fluctuaciones en Interacción Luz-materia: Cisnes Negros y Estados Paralelos – Tutor: Elena del Valle

Tutor: Elena del Valle, elena.delvalle(at)uam.es

Desvelaremos los mecanismos detrás de dos experimentos realizados en el Walter Schottky Institut de Munich (en colaboración con nuestro grupo) sobre la emisión de puntos cuánticos [1,2]. En ambos casos se observan picos exóticos en el espectro de emisión, a frecuencias inesperadas, y creemos que su origen está en las fluctuaciones que se producen en el entorno (material semiconductor). En este TFG describiremos teóricamente la dinámica del punto cuántico fuera [1] y dentro de una cavidad [2] y su entorno para analizarla mediante simulaciones (primera parte) y cálculos (segunda parte). Se desarrollarán las siguientes tareas y metodologías:

  • Estudio de los experimentos y los principios generales de espectroscopía y óptica a nivel cuántico.
  • Formalismo de segunda cuantización, ecuación maestra, matriz densidad, funciones de correlación.
  • Modelo sencillo y funcional del entorno y sus fluctuaciones [3].
  • Simulaciones de Monte Carlo de la emisión resuelta en tiempo, frecuencia [4] o ambas [5].
  • Análisis de la relación entre los fotones emitidos a través de sus correlaciones en tiempo y frecuencia [6].
  • Creación de herramientas teóricas específicas y propuesta de efectos nuevos, llamativos y medibles.Experimento 1

Experimento 1: Emisión de un punto cuántico con un pico fijo (siempre a la misma frecuencia) al variar la frecuencia del láser [1]. Esta es la manifestación de un cisne negro (N. N. Taleb), un evento raro pero de gran impacto.

Experimento 2

Experimento 2: Emisión de un punto cuántico en una molécula fotónica (dos cavidades acopladas fuertemente) con un pico “W” inesperado (siempre a la frecuencia de las cavidades) [2]. El estado de acoplo fuerte entre las cavidades (picos B y AB) parece convivir con el de acoplo débil (pico W), aún siendo incompatibles. Dos estados paralelos se observan conjuntamente gracias a las fluctuaciones.

Referencias

  1. Fluctuation induced luminescence sidebands in the emission spectra of resonantly driven quantum dots (arXiv:1207.6952).
  2. Coexistence of weak and strong coupling with a quantum dot in a photonic molecule (enviado).
  3. Open quantum system approach to single-molecule spectroscopy, Phys. Rev. A 79, 043804 (2009).
  4. Unraveling Quantum Dissipation in the Frequency Domain, Phys. Rev. Lett. 81, 5117 (1998).
  5. Frequency-resolved Monte Carlo, Scientific Reports 8, 6975 (2018).
  6. Theory of frequency-filtered and time-resolved N-photon correlations, Phys. Rev. Lett. 109, 183601 (2012).

 

 


Image of a system of hard sphero-cylinders

5.3 Hard-spherocylinder Fluids as Two-phase Media and a Direct Test of the Decoupling Approximation – Tutor: Giorgio Cinacchi

Tutor: Giorgio Cinacchi, giorgio.cinacchi(at)uam.es

Systems of hard particles are basic model systems to investigate condensed states of matter. This project considers systems of hard sphero-cylinders (i.e. cylinders capped at each end with a hemi-sphere of the same diameter) in the several fluid states that they can form: isotropic, nematic liquid-crystalline and smectc liquid-crystalline [Fig.1 (a,b,c)]. Usually, the structure of these states is characterised by a set of correlation functions depending on the position of the particle centroids and the orientation of the particle main symmetry axis. This project takes a complementary approach by viewing these systems as two-phase media: the interiors of the particles constitute the particle phase while the complementary exterior the matrix or void phase. Other suitable correlation and probability functions will be calculated [Fig. 1 (d)] that will then lead to estimating a number of physical properties of such heterogeneous materials.

In the course of this analysis, attention will also be paid to the statistics of contacts between these hard particles. In turn, this will lead to a direct test of an approximation, known as decoupling approximation, often made in classical density functional theory calculations on fluids composed of hard non-spherical particles.

Figure 1: Image of a system of hard sphero-cylinders in the isotropic (a), nematic (b) and smectic (c) states; schematic of a generic two-phase medium with certain of the correlation and probability functions that characterise its structure (d).

Figure 1: Image of a system of hard sphero-cylinders in the isotropic (a), nematic (b) and smectic (c) states; schematic of a generic two-phase medium with certain of the correlation and probability functions that characterise its structure (d).

The TFG-EXP of this project will be carried out within the Analysis and simulation of granular media practicum lab of the Departamento de Física Teórica de la Materia Condensada.

 

 


Esquema de sistema experimental

5.4 Entrelazamiento de Parejas de Fotones Mediante Potenciales Oscilantes – Tutor: Carlos Tejedor

Tutor: Carlos Tejedor, carlos.tejedor@uam.es

Las parejas de fotones entrelazados son la base de protocolos criptográficos basados en teleportación cuántica. El entrelazamiento es una propiedad de los componentes de la pareja cada uno de los cuales debe poseer dos grados de libertad como, por ejemplo, la frecuencia y la polarización. Tales parejas se producen en la desexcitación de punto cuántico (QD) en el que dos electrones se encuentran inicialmente excitados. La dificultad práctica de este procedimiento es conseguir que el estado intermedio (excitado solo uno de los dos electrones) sea doblemente degenerado y así la emisión de fotones es idéntica a un experimento de doble rendija de Young, paradigma del comportamiento cuántico de los fotones.

En este trabajo, se propone la utilización de un potencial periódico en el tiempo para restaurar la degeneración entre los dos estados intermedios de la emisión de fotones. El estudiante estudiará las características y dificultades de la producción de entrelazamiento en una pareja de fotones. Esto requerirá el análisis de una ecuación maestra para describir la dinámica de un sistema mecanocuántico abierto. El objetivo final es introducir en esa ecuación un potencial periódico con una frecuencia igual a la diferencia de energías entre los dos estados intermedios. De esa forma se podrá producir una degeneración efectiva y provocar así la aparición de entrelazamiento cuántico en la pareja de fotones emitidos.

Figura 1: Esquema de sistema experimental (Appl. Phys. Lett. 111, 011103 (2017)) con QD, SAW y μC.

Figura 1: Esquema de sistema experimental (Appl. Phys. Lett. 111, 011103 (2017)) con QD, SAW y μC.

El potencial periódico requerido es el asociado a diferentes modos propios de un sistema de materia condensada como una onda superficial acústica (SAW) o una microcavidad (μC). Por ello, en la parte de TFG-EXP, el estudiante deberá analizar esos tipos de sistemas experimentales dentro de las prácticas de Nanofotónica y de Interacción luz-materia en microcavidades del laboratorio TFG-EXP del Departamento de Física Teórica de la materia Condensada.

Referencias

  1. Esquema de sistema experimental (Appl. Phys. Lett. 111, 011103 (2017)) con QD, SAW y μC.

 

 


Moléculas orgánicas en microcavidad.

5.5 Interacción de Moléculas con el Campo Electromagnético en Microcavidades – Tutores: Johannes Feist, Esteban Moreno

Tutores: Johannes Feist, johannes.feist(at)uam.es, Esteban Moreno, esteban.moreno(at)uam.es

La interacción de emisores cuánticos con el campo electromagnético es muy dependiente del entorno en el que dicho proceso tiene lugar. En el caso de moléculas confinadas en microcavidades es necesario tener en cuenta explícitamente el carácter cuántico de la radiación. Como consecuencia aparecen multitud de fenómenos tales como son las oscilaciones de Rabi de vacío, la modificación del transporte excitónico en el régimen de acoplo fuerte, o la posibilidad de alterar la estructura molecular [1,2]. El objetivo de este trabajo es estudiar la influencia que tienen diversas aproximaciones (sistema de dos niveles, número de modos electromagnéticos, gauge dipolar o de Coulomb, etc) en los cálculos de los fenómenos anteriormente descritos. La parte TFG-EXP de este proyecto se realizaría dentro de la práctica de Análisis de experimentos de interacción luz-materia en microcavidades del laboratorio del dpto. de Física Teórica de la Materia Condensada.

Figura 1: Moléculas orgánicas en microcavidad.

Figura 1: Moléculas orgánicas en microcavidad.

Referencias

  1. J. Galego, F. J. Garcia-Vidal, and J. Feist, “Cavity-Induced Modifications of Molecular Structure in the Strong-Coupling Regime”, Phys. Rev. X 5, 041022 (2015).
  2. J. Feist, J. Galego, and F. J. Garcia-Vidal, “Polaritonic Chemistry with Organic Molecules”, ACS Photonics 5, 205 (2018).

 

 


Estructura atómica de la superficie Sn/Si(111)

5.6 Simulaciones de Microscopía Túnel en Superficies Semiconductoras – Tutores: César González, José Ortega

Tutores: César González, cesar.gonzalez(at)uam.es, José Ortega, jose.ortega(at)uam.es

El microscopio de efecto túnel (STM) es una herramienta esencial para el estudio de las propiedades electrónicas en física de superficies. Los resultados teóricos han permitido dar explicación a detalles inaccesibles para las medidas experimentales. Para llevar a cabo las simulaciones será necesario el uso de la teoría del funcional de la densidad (DFT), una técnica mecano-cuántica ampliamente utilizada en diferentes ámbitos de la nanociencia que permitirá encontrar la estructura atómica y electrónica de la superficie a estudiar.

En este trabajo, se comenzará aprendiendo los conceptos básicos de la DFT para poder aplicar esta metodología posteriormente a una superficie semiconductora con átomos metálicos adsorbidos, como puede ser el caso de Sn/Si(111). El objetivo será encontrar la estructura atómica más estable. En un segundo paso, se aprenderá el formalismo Keldysh necesario para calcular la corriente electrónica y obtener las imágenes STM para diferentes voltajes. Se comprobará la estrecha relación entre los mapas de corriente con las posiciones atómicas y la distribución de carga electrónica en el sistema.

Figura 1: Estructura atómica de la superficie Sn/Si(111) con K fisisorbidos y las correspondientes imágenes STM a V=-0.5 V y V=+1.5 V respectivamente.

Figura 1: Estructura atómica de la superficie Sn/Si(111) con K fisisorbidos y las correspondientes imágenes STM a V=-0.5 V y V=+1.5 V respectivamente.

La primera parte de este trabajo (TFG-EXP) se realizará en la práctica “Simulación computacional de materiales a escala atómica y nanométrica” del laboratorio del departamento de Física Teórica de la Materia Condensada.

 

 


H2o

5.7 H2O – Tutor: José Ortega

Tutor: José Ortega, jose.ortega(at)uam.es http://webs.ftmc.uam.es/jose.ortega/

El agua es fundamental para la vida. A pesar de la simplicidad de la molécula H2O, el agua es un material fascinante, con muchas propiedades excepcionales como, por ejemplo, su expansión al congelarse. Debido a su importancia, el agua en sus diversas formas ha sido ampliamente estudiada, pero sus propiedades aún no se comprenden completamente.

En este trabajo se emplearán técnicas de Dinámica Molecular de primeros principios para estudiar las propiedades del agua a nivel atómico. En particular se utilizarán métodos basados en la Teoría del Funcional de la Densidad (DFT: Density Functional Theory) para estudiar las propiedades estructurales, dinámicas y electrónicas de clusters de moléculas de H2O, diversas fases de hielo y del agua líquida en diversas condiciones. En función del desarrollo del trabajo y del interés del estudiante, también se podrán abordar posibles desarrollos metodológicos para mejorar las técnicas de simulación.

La primera parte de este trabajo (TFG-EXP) se realizará en la práctica “Simulación computacional de materiales a escala atómica y nanométrica” del laboratorio del departamento de Física Teórica de la Materia Condensada.

Figura 1: https://www.thoughtco.com/why-is-water-a-polar-molecule-609416

Figura 1: https://www.thoughtco.com/why-is-water-a-polar-molecule-609416

 

 

 


Bandada de pájaros y cúmulos de filamentos.

5.8 Materia Activa: La Física de las Bandadas de Pájaros y los Motores Moleculares – Tutor: Pedro Tarazona

Tutor: Pedro Tarazona, pedro.tarazona(at)uam.es

El nombre de “materia activa” se ha acuñado recientemente para referirnos al comportamiento colectivo de sistemas con muchas componentes con una fuente de energía (interna o externa) que les hace capaces de un movimiento autónomo. Encontramos sistemas de estas características en muchos niveles diferentes, desde el estudio de bandadas de pájaros o bancos peces, a colonias de bacterias, motores moleculares formados por proteínas, hasta partículas coloidales diseñadas para ser impulsadas por una reacción química que catalizan preferentemente en una de sus caras. El estudio de modelos sencillos que contengan los elementos clave, movilidad individual e interacción entre los elementos, nos ayuda a caracterizar los comportamientos colectivos observados en sistemas reales y a entender sus similitudes y diferencias. Este TFG, ofertado de forma conjunta para sus partes EXP y TUT, plantea la iniciación al manejo de técnicas numéricas para el análisis de la formación de cúmulos o agrupamientos en sistemas con muchos elementos, así como a simulaciones numéricas por el método de Monte Carlo. La parte TFG-EXP de este proyecto se realizaría dentro de la práctica de Física de Sistemas Biológicos del laboratorio del dpto. de Física Teórica de la Materia Condensada. En la segunda parte del TFG esas técnicas se aplicarán a modelos sencillos de materia activa y se compararan con las estructuras de sistemas habituales, que condensan sin esa componente de “actividad”.

Figura 1: Bandada de pájaros y cúmulos de filamentos de proteínas: estructuras complejas formadas por materia activa a escalas muy diferentes.

Figura 1: Bandada de pájaros y cúmulos de filamentos de proteínas: estructuras complejas formadas por materia activa a escalas muy diferentes.

 

 


Spontaneous Patterns in Coherently Driven Spinor Polariton Structures

5.9 Spontaneous Patterns in Coherently Driven Spinor Polariton Structures – Tutor: Francesca Maria Marchetti

Tutor: Francesca Maria Marchetti, francesca.marchetti(at)uam.es, http://webs.ftmc.uam.es/francesca.marchetti/

In recent years, hybrid matter-light systems such as microcavity polaritons have been proven ideal for the study of spontaneous pattern formation. Resulting from the strong coupling between cavity photons and quantum well excitons, microcavity polaritons share the properties of both components and, thus, display unique properties: among those, optical and electrical injection, a high degree of tunability and control, easy detection and direct read-out.

Spontaneous Patterns in Coherently Driven Spinor Polariton StructuresRecently in our group, we have shown that a polariton microcavity resonantly driven by two external lasers which simultaneously pump both lower and upper polariton branches at normal incidence undergoes instabilities of the pump-only solutions towards the spontaneous formation of patterns. The pattern appearance is a consequence of the spontaneous symmetry breaking of translational and rotational invariance due to interaction induced parametric scattering. In this set-up, we have observed the evolution and control of different patterns, such as stripe, chequerboard and hexagonal patterns.

Ultimately, this set-up can be employed as a possible scheme for the generation of entangled multiple polariton modes. Taking into account the spin-polarisation degrees of freedom of polaritons due to the coupling to circularly polarized light adds an interesting ingredient to the problem, the study of which is the content of the proposed TFG. The work the student is expected to carry on consists of two parts:

  1. TFG-EXP: A numerical analysis of the Gross-Pitaevskii equation generalised to include the two polariton spin degrees of freedom and the different interaction strengths between same spin and opposite spin components. Externally tuning the opposite spin interaction strength adds the interesting possibility of exploring the evolution of different patterns and their stability. This first part of the TFG-EXP will be realised within the practice of the “Análisis de experimentos de interacción luz-materia en microcavidades” of the laboratory of the Departamento de Física Teórica de la Materia Condensada.
  2. In the second part of the TFG-TUT, the student will be asked to carry on a linear stability analysis so that to obtain a system “phase diagram” indicating the regions of instability of the pump-only solutions, i.e. those configurations for which only the states resonantly injected by the external pumps are populated. These analytical results will be compared with the numerical simulations for finite size pump profiles obtained in the first part.

 

 


Example of molecular junction.

5.10 Electron Transport Through Molecular Junctions – Tutores: Linda Angela Zotti, Juan Carlos Cuevas

Tutor: Linda Angela Zotti, linda.zotti(at)uam.es, Juan Carlos Cuevas, juancarlos.cuevas(at)uam.es

The field of Molecular Electronics is a pillar of nanoscience and aims at using molecules as building blocks for novel nanoscale devices. Furthermore, it is by now clear that molecules can be ideal test beds for learning fundamental physics. In this project, the student will learn to use density functional theory (DFT) and non-equilibrium Green’s function (NEGF) techniques to study the electron transport through organic molecules. Effects such as quantum interference, thermopower and those deriving from incorporating biomolecules in the junction will be studied.

The TFG-EXP of this project will be carried out within the Computational simulation of atomic&nanometric scale materials practicum lab of the Departamento de Física Teórica de la Materia Condensada.

Figure 1: Example of molecular junction.

Figure 1: Example of molecular junction.

 

 


Contacto metal-superconductor que actúa como refrigerador de una isla metálica

5.11 ¿Cómo se Define la Temperatura en Sistemas Fuera del Equilibrio? – Tutor: Rafael Sánchez

Tutor: Rafael Sánchez, rafael.sanchez(at)uam.es, http://webs.ftmc.uam.es/rafael.sanchez/

El entendimiento de las propiedades termodinámicas de los sistemas cuánticos requiere en muchos casos de la medida de su temperatura. En sistemas de escala nanométrica, ésta se puede ver afectada por las fluctuaciones de un entorno que puede no estar en equilibrio. El proyecto consistirá en investigar las distintas maneras de determinar la temperatura de un sistema tal. Se centrará en configuraciones de superconductores que tienen la peculiaridad de que pueden enfriar un contacto metálico por debajo de la temperatura de cualquier parte de su entorno (lo cual no es posible en sistemas macroscópicos) [1].

La parte TFG-EXP de este proyecto se realizaría dentro de la práctica de “Simulación computacional de materiales a escala atómica y nanométrica” del laboratorio del dpto. de Física Teórica de la Materia Condensada.

Figura 1: Contacto metal-superconductor que actúa como refrigerador de una isla metálica mediante procesos de conducción de un sólo electrón [2].

Figura 1: Contacto metal-superconductor que actúa como refrigerador de una isla metálica mediante procesos de conducción de un sólo electrón [2].

 

 


Una tramilla separa dos particiones de un gas con partículas rápidas y lentas.

5.12 Demonios de Maxwell que Hacen Trabajo sin Gastar Energía (ni violar el 2º principio de la termodinámica) – Tutor: Rafael Sánchez

Tutor: Rafael Sánchez, rafael.sanchez(at)uam.es, http://webs.ftmc.uam.es/rafael.sanchez/

En los albores de la teoría estadística de la termodinámica, James Maxwell cuestionó los principios fundamentales mediante la idea de un ente “inteligente” capaz de producir trabajo (o enfriar un sistema) sin necesariamente invertir ninguna energía en el proceso, ¡aparentemente violando el 2º principio de la termodinámica! La paradoja se resolvió décadas después introduciendo nociones de teoría de la información [1]. Esto es también posible en sistemas capaces de mantener una situación de no equilibrio, tales como sistemas de puntos cuánticos [2]. Sólo en los últimos años, se han propuesto sistemas capaces de realizar experimentalmente tales funciones. El proyecto investigará la posibilidad de generar tales configuraciones en sistemas donde las propiedades cuánticas de las partículas juegan un papel decisivo (tales como el régimen del efecto Hall cuántico).

La parte TFG-EXP de este proyecto se realizaría dentro de la práctica de “Simulación computacional de materiales a escala atómica y nanométrica” del laboratorio del dpto. de Física Teórica de la Materia Condensada.

Figura 1: Una tramilla separa dos particiones de un gas con partículas rápidas y lentas. Si la trampilla se abre dejando pasar las partículas rápidas sólo hacia la derecha, y las lentas sólo hacia la izquierda, se alcanzará un estado en el que se revierte el proceso de equilibración térmica, generando un gradiente de temperatura.

Figura 1: Una tramilla separa dos particiones de un gas con partículas rápidas y lentas. Si la trampilla se abre dejando pasar las partículas rápidas sólo hacia la derecha, y las lentas sólo hacia la izquierda, se alcanzará un estado en el que se revierte el proceso de equilibración térmica, generando un gradiente de temperatura.

Referencias

  1. H. S. Leff, A. F. Rex (eds.), “Maxwell’s demon 2. Entropy, classical and quantum information, computing”, Institute of Physics Publishing, 2003.
  2. R. S. Whitney, R. Sánchez, F. Haupt, J. Splettsotesser, Physica E 75, 257 (2016).

 

 


 Campos electromagnéticos en cristal fotónico.

5.13 Comportamiento de Campos Electromagnéticos en Cristales Fotónicos – Tutores: Francisco J. García, Esteban Moreno

Tutores: Francisco J. García, fj.garcia(at)uam.es, Esteban Moreno, esteban.moreno(at)uam.es

La propagación de campos electromagnéticos en medios materiales da lugar a una inmensa variedad de fenómenos. Los medios estructurados de manera espacialmente periódica y con una escala característica comparable a la longitud de onda de interés se conocen como cristales fotónicos. Estos tienen propiedades que recuerdan a las de los cristales ordinarios y en ellos se dan fenómenos tan diversos como la aparición de bandas prohibidas, o el realzamiento de la tasa de emisión espontánea de sistemas atómicos [1]. El objetivo de este trabajo es analizar configuraciones de cristales fotónicos con propiedades como confinamiento, guiado de ondas, etc. La parte TFG-EXP de este proyecto se realizaría dentro de la práctica de Nanofotónica del laboratorio del dpto. de Física Teórica de la Materia Condensada.

Figura 1: Campos electromagnéticos en cristal fotónico.

Figura 1: Campos electromagnéticos en cristal fotónico.

Referencias

  1. J. D. Joannopoulos, S. G. Johnson, J. N. Winn and R. D. Meade, Photonic Crystals: Molding the Flow of Light, Princeton University Press, 2nd edition (2011).

 

 


Estructura atómica de moléculas sencillas, su densidad de carga e imágenes AFM simuladas de las mismas.

5.14 Modelización de un Microscopio de Fuerzas Atómico (AFM): Imágenes de alta resolución de moléculas y materiales 2D – Tutor: Pablo Pou

Tutor: Pablo Pou, pablo.pou(at)uam.es

Las microscopías de proximidad (microscopio de efecto túnel o STM, microscopio de fuerzas atómicas o AFM,…) nos permiten ver y manipular la materia a escala atómica y así caracterizar las propiedades físicas de los materiales. Recientemente, gracias a la funcionalización de las puntas usadas en el AFM, se han conseguido aumentar los límites de resolución de estas microscopías consiguiendo discernir no solo los átomos sino sus enlaces y la distribución de carga de los materiales analizados. Estos avances hacen de estas técnicas las idóneas para la caracterización de moléculas sencillas así como de nuevos materiales bidimensionales entre los que encontramos al grafeno, al fosforeno, y los dicalcogenuros de metales de transición (2D-TMD).

En este Proyecto Fin de Grado el alumno aprenderá los fundamentos teóricos del microscopio de fuerzas atómico y estudiará, usando métodos de simulación computacional, cómo esta microscopía permite la observación con resolución atómica de la estructura interna de moléculas o de defectos en TMD’s.

La parte TFG-EXP de este proyecto se realizaría dentro de la práctica de “Simulación computacional de materiales a escala atómica y nanométrica” del laboratorio del dpto. de Física Teórica de la Materia Condensada.

Figura 1: Estructura atómica de moléculas sencillas, su densidad de carga e imágenes AFM simuladas de las mismas.

Figura 1: Estructura atómica de moléculas sencillas, su densidad de carga e imágenes AFM simuladas de las mismas.

 

 


Espectro de absorción óptico y modos de oscilación plasmónicos para la molécula lineal Na20.

5.15 Hibridación de Modos Ópticos en Sistemas Moleculares – Tutor: Pablo García González

Tutor: Pablo García González, pablo.garciagonzalez(at)uam.es

Los plasmones son los modos normales de oscilación de los electrones cuasi-libres de un metal. Aparecen de manera natural como soluciones de las ecuaciones de Maxwell clásicas, pero, como el movimiento de los electrones está regido por las leyes de la mecánica cuántica, también pueden verse como transiciones entre estados cuánticos estacionarios.[1] Estas transiciones se pueden estudiar usando la conocida teoría de perturbaciones dependientes del tiempo implementada sobre hamiltonianos de campo medio que describen de manera simple, pero realista, un sistema de muchos electrones. Desde esta perspectiva cuántica, incluso sistemas moleculares formados por unos pocos átomos (10 – 20) poseen transiciones electrónicas que bien pueden considerarse como plasmónicas.[2] El objetivo del trabajo TFG que se oferta es el estudio y caracterización, tanto teórica como computacional, de modos plasmónicos fotoinducidos en sistemas moleculares compuestos. Para ello, durante la primera parte del TFG (TFG-EXP) el estudiante realizará una serie de prácticas dentro del grupo de Nanofotónica del laboratorio del Dpto. de Física Teórica de la Materia Condensada que le permitirán familiarizarse con la fenomenología relevante para el proyecto. A continuación, y usando que los modos plasmónicos dependen muy sensiblemente de la geometría del sistema, se estudiara la posibilidad de que se produzca una “hibridización” entre un modo plasmónico y otro tipo de excitación electrónica fotoinducida que dé lugar a un transporte neto de espín a lo largo de la estructura.

Figura 1: Espectro de absorción óptico y modos de oscilación plasmónicos para la molécula lineal Na20.

Figura 1: Espectro de absorción óptico y modos de oscilación plasmónicos para la molécula lineal Na20.

Referencias

  1. Varas, A.; García-González, P.; Feist, J.; García-Vidal, F. J.; Rubio, A. Quantum plasmonics: from jellium models to ab initio calculations. Nanophotonics 5, 409-426 (2016).
  2. Bernadotte, S.; Evers, F.; Jacob, C.R. Plasmons in molecules. J. Phys. Chem. C 117, 1863-1878 (2013).

 

 


An ensemble of gold nanoparticles driven by two incident perpendicular laser beams

5.16 Dynamics of Plasmonic Nanoparticles Under Optical Forces in an Hydrodynamic Environment / Dinámica de Nanopartículas Plasmónicas y luz en un Medio Hidrodinámico – Tutor: Rafael Delgado Buscalioni

Tutor: Rafael Delgado Buscalioni, rafael.delgado(at)uam.es

This TFG investigates the dynamics of nanoparticles driven by optical forces arising from laser beams. We shall consider particles with different materials (gold and silver) corresponding to different complex polarizability and different types of incident light with a non-conservative (rotational) component. These nanoparticles are in an aqueous solvent and interact at long distances via hydrodynamics, due to the momentum they transfer to the fluid. We shall investigate the possibility of cooperative motion and synchronization due to the hydrodynamic coupling. The research will be of theoretical and computational nature, using codes developed in the Departamento de Física Teórica de la Materia Condensada.

The TFG-EXP of this project will be carried out within the Hydrodynamics of complex molecules practicum lab of the Departamento de Física Teórica de la Materia Condensada.

Figure 1: An ensemble of gold nanoparticles driven by two incident perpendicular laser beams (red arrows) and interacting with multiple scattering of light (colors indicate isocontours of the total electric field intensity) and hydrodynamic forces.

Figure 1: An ensemble of gold nanoparticles driven by two incident perpendicular laser beams (red arrows) and interacting with multiple scattering of light (colors indicate isocontours of the total electric field intensity) and hydrodynamic forces.

References

  1. R. Delgado-Buscalioni, M. Meléndez, J. Luis-Hita, M. I. Marqués, J. J. Sáenz, Strong collective currents of gold nanoparticles in an optical vortex lattice, arXiv:1709.04424.

 

 


5.17

5.17 Refracción Negativa, Óptica de Transformación e Invisibilidad – Tutores: Francisco J. García, Antonio Fernández Domínguez

Tutores: Francisco J. García, fj.garcia(at)uam.es, Antonio Fernández Domínguez, a.fernandez-dominguez(at)uam.es

En los últimos años, la emergencia de la ciencia de materiales ha permitido el diseño y fabricación de sistemas macroscópicos con propiedades ópticas que no se encuentran en la naturaleza. Uno de los efectos más intrigantes y fascinantes logrados a través de estos nuevos materiales compuestos es el llamado índice de refracción negativo [1]. En palabras sencillas, este efecto se traduce en que la velocidad de fase y el flujo de energía (o velocidad de grupo) de la luz que se propaga dentro de estas estructuras apuntan en direcciones opuestas. Esta peculiar característica ha llevado, en los últimos años, al descubrimiento de una serie de nuevos fenómenos electromagnéticos como la superlente [2] o la capa de invisibilidad [3]. Actualmente, la predicción teórica y la realización experimental de las capacidades sorprendentes de los materiales de índice de refracción negativo se han convertido en un campo de investigación muy activo, con importantes implicaciones fundamentales y tecnológicas.

En este proyecto, se explorarán los aspectos fundamentales de la aparición de refracción negativa en sistemas de complejidad creciente (desde una interfaz simple hasta una capa de invisibilidad). Se usarán dos herramientas diferentes para este propósito. Por un lado, un poderoso código comercial que resuelve las ecuaciones de Maxwell en 3D le permitirá estudiar la propagación de ondas electromagnéticas en tales estructuras. Por otro lado, los enfoques analíticos basados ​​en electromagnetismo básico le proporcionarán la perspectiva física necesaria para alcanzar una comprensión profunda de sus resultados numéricos.

La parte experimental de este proyecto se realizaría dentro de la práctica de Nanofotónica.

Referencias

  1. J. B. Pendry, Negative Refraction, Contemporary Physics, January-February 2004, volume 45, number 3, pages 191-202S.
  2. J. B. Pendry, Negative Refraction Makes a Perfect Lens, Physical Review Letters, 2000, volume 85, page 3966.
  3. D. Schurig et al., Metamaterial Electromagnetic Cloak at Microwave Frequencies, Science, November 2006, volume 314, page 977.

 

 


Locomotion in Complex Environments

5.18 Locomotion in Complex Environments – Tutor: Juan Aragones

Tutor: Juan Aragones, juan.aragones(at)uam.es

We intent to design and develop synthetic microscopic machines able to navigate through complex environments and direct their motion towards specific regions in response to external stimuli, just like leukocytes do. To do this we are studying the dynamics of active particles within complex and structured environments and how their motion can be controlled and directed exploiting the structure and mechanical properties of their environment.

Tasks:

  1. Preparation and characterization of 2D and 3D collagen gels that mimics the extracellular matrix.
  2. Study the dynamics of active rotating particles embedded in these collagen gels as a function of the structure and mechanical properties of the matrix.
  3. Develop a phenomenological model to describe the locomotion of motile particles within these complex environments.

The TFG-EXP of this project will be carried out within the Physics of Biosystem practicum lab of the Departamento de Física Teórica de la Materia Condensada.

Figure 1: Locomotion in Complex Environments

Figure 1: Locomotion in Complex Environments

 

 

image_pdfimage_print