Bachelor’s Degree Projects


Bachelor's Degree Projects

Bachelor’s Degree Projects at the Department of Theoretical Condensed Matter Physics: 2019-2020

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).

 

 

 


5.2 Estados de Andreev y Estados de Majorana en Materia Condensada - Tutor: Alfredo Levy Yeyati

5.2 Estados de Andreev y Estados de Majorana en Materia Condensada – Tutor: Alfredo Levy Yeyati

Tutor: Alfredo Levy Yeyati, a.l.yeyati@uam.es

En el estado superconductor las excitaciones de cuasi-particula son una combinación de electrón y hueco, y aunque son de carácter fermiónico no tienen una carga bien definida. En situaciones inhomogéneas, en las que el parámetro de orden superconductor varía espacialmente, algunas de estas excitaciones corresponden a estados ligados que se denominan “estados de Andreev”. Si bien la aparición de este tipo de estados ha sido predicha teóricamente desde los años 60 en numerosas situaciones, su estudio en nanoestructuras artificiales es mucho más reciente. Un caso que despierta gran interés es el de sistemas en los que se induce un tipo especial de superconductividad llamada “topológica”. Los estados ligados de cuasi- partícula en este caso corresponden a “estados de Majorana”, por su similitud con las “partículas de Majorana” que tienen la propiedad de ser su propia antipartícula. El trabajo propuesto consiste en familiarizarse con los últimos avances teóricos y experimentales recientes relacionados con este tema. En una primera etapa se analizarán modelos sencillos que permiten describir los estados de Andreev en situaciones de interés experimental reciente [1]. En una fase siguiente se estudiará la dinámica de este tipo de estados en presencia de radiación externa y de acoplamiento a con un circuito resonante con vistas a su posible utilización como qubits para el procesamiento de información cuántica.

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.

5.2 Estados de Andreev y Estados de Majorana en Materia Condensada - Tutor: Alfredo Levy Yeyati

  1. L. Tosi, C. Metzger, M.F. Goffman, C. Urbina, H. Pothier, Sunghun Park, A. Levy Yeyati, J. Nygård, and P. Krogstrup, Phys. Rev. X 9, 011010 (2019). [URL]

 

 


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.

 

 


5.4. Numerical simulation of hard-sphere systems using spherical boundary conditions

5.4 Numerical Simulation of Hard-sphere Systems Using Spherical Boundary Conditions – Tutor: Giorgio Cinacchi

Tutor: Giorgio Cinacchi, giorgio.cinacchi@uam.es

Systems of hard spheres are amongst the most basic model systems to investigate condensed states of matter. This project seeks to implement a Monte Carlo numerical simulation code for systems of three-dimensional hard spheres on the surface of a four-dimensional sphere and explore whether it will be able to generate disordered strictly jammed packings, i.e. prototypical glasses (Fig. 1), that are ‘rattler-free’, an objective that current compression algorithms, based on standard periodic boundary conditions, fail to achieve.

Fig. 1: Image of a hard-sphere packing in a maximally random jammed state that was obtained via a compression algorithm with standard periodic boundary conditions unable to prevent a minimal percentage of 'rattlers', i.e. caged but movable particles.

Fig. 1: Image of a hard-sphere packing in a maximally random jammed state that was obtained via a compression algorithm with standard periodic boundary conditions unable to prevent a minimal percentage of ‘rattlers’, i.e. caged but movable particles.

Este proyecto está pensado para desarrollarse a lo largo de un año. La parte TFG-EXP de este proyecto se realizaría dentro de la práctica “análisis y simulación de medios granulares” del laboratorio del Dpto. de Física Teórica de la Materia Condensada.

 

 

 


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5.5 Simulación de Monocapas Granulares Mediante Técnicas de Dinámica Molecular – Tutor: Enrique Velasco

Tutor: Enrique Velasco, enrique.velasco@uam.es

En este trabajo se desarrolla un modelo de interacción entre partículas bidimensionales con forma anisótropa y se implementa un método de simulación basado en dinámica molecular. La idea es formular un modelo que permita incluir fenómenos de disipación entre partículas, con vistas a explicar la fenomenología observada en experimentos de monocapas vibradas de partículas granulares, en los que las partículas forman una monocapa fluida pero con orden orientacional tetrático, induciéndose la formación de cuatro defectos topológicos asociados a la frustración geométrica que imponen las paredes laterales del sistema. El modelo se aplicará a datos experimentales y se espera que pueda ayudar a entender la compleja fenomenología observada, que incluye efectos de equilibrio y también fenómenos de no equilibrio.

El estudio permite al estudiante aprender técnicas de simulación de sistemas de equilibrio y no equilibrio, así como temas de física estadística de transiciones de fase, parámetros de orden y formación de defectos topológicos. Además, el estudiante aprenderá la fenomenología de los medios granulares, tan importantes en física, tecnología y astrofísica, y aprenderá a entender las diferencias que existen con la materia tradicional, cuyo comportamiento se basa en fluctuaciones térmicas.

La parte TFG-EXP de este proyecto se realizaría dentro de la práctica de “Análisis y simulación de medios granulares” del laboratorio del Dpto. de Física Teórica de la Materia Condensada.

Figura: Mapa de colores del parámetro de orden tetrático en una monocapa granular vibrada real formada por cilindros que se proyectan en el plano como rectángulos de dimensiones 4 x 1 mm2

Figura: Mapa de colores del parámetro de orden tetrático en una monocapa granular vibrada real formada por cilindros que se proyectan en el plano como rectángulos de dimensiones 4 x 1 mm2

 

 


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5.6 Inteligencia Artificial Para la Simulación de Estructuras Nanofotónicas – Tutor: Jorge Bravo

Tutor: Jorge Bravo, jorge.bravo@uam.es

Los métodos de inteligencia artificial, tales como las redes neuronales, están emergiendo como una herramienta de gran utilidad para la simulación de distintos sistemas de física de la materia condensada.

En este trabajo fin de grado el estudiante se familiarizará con conceptos clave de inteligencia artificial y redes neuronales y aplicará estos conceptos al diseño y demostración numérica de una red neuronal entrenada para simular la interacción de un haz de luz con una nanopartícula.

La parte TFG-EXP de este proyecto se realizará dentro de la práctica de Nanofotónica del laboratorio del Dpto. de Física Teórica de la Materia Condensada.

Figura 1: Estructura nanofotónica a simular y ejemplo de implementación de una red neuronal para la simulación de dicha estructura.

Figura 1: Estructura nanofotónica a simular y ejemplo de implementación de una red neuronal para la simulación de dicha estructura.

 

 


H2o

5.7 Melting en 2D: Simulaciones Monte-Carlo – Tutores: Enrique Velasco, José Ortega

Tutores: Enrique Velasco, enrique.velasco@uam.es, José Ortega, jose.ortega@uam.es

Las propiedades de los materiales en dos dimensiones (2D) son fundamentalmente diferentes de las de los materiales tri-dimensionales (3D). Esta diferencia se manifiesta especialmente en las transiciones de fase pues el balance entre energía y entropía cambia drásticamente. En este trabajo se propone estudiar la transición de fase de melting en 2D utilizando métodos computacionales basados en la técnica de simulación Monte Carlo. El sistema consiste en una red periódica bidimensional (con simetría hexagonal, aunque se analizarán distintas simetrías) en la que los nodos de la red pueden estar ocupados por partículas o pueden estar vacantes. Las partículas interaccionan a largas distancias repulsivamente, de manera que se generan interesantes correlaciones. Se pretende estudiar el impacto de estas correlaciones sobre la transición de melting.

El estudio permite al estudiante aprender técnicas de simulación y temas de física estadística de transiciones de fase en un contexto investigador, ya que el modelo tiene aplicación directa y pretende explicar resultados recientes sobre diversos fenómenos que tienen lugar, por ejemplo, en monocapas de átomos de K adsorbidas sobre una superficie Sn/Si(111) (ver imagen).

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.

Las figuras muestran una vista desde arriba de la superficie K/Sn/Si(111). Los átomos de Sn se muestran como círculos rojos/azules en (a) y violeta en (b). Las líneas grises (y verde) muestran el movimiento de los átomos de K en esta superficie. A baja temperatura (a) los átomos de K están "congelados" formando una red periódica mientras que a temperatura ambiente (b) los átomos de K se mueven por la superficie saltando entre los diferentes sitios de una red hexagonal, formando una especie de líquido bidimensional.

Las figuras muestran una vista desde arriba de la superficie K/Sn/Si(111). Los átomos de Sn se muestran como círculos rojos/azules en (a) y violeta en (b). Las líneas grises (y verde) muestran el movimiento de los átomos de K en esta superficie. A baja temperatura (a) los átomos de K están “congelados” formando una red periódica mientras que a temperatura ambiente (b) los átomos de K se mueven por la superficie saltando entre los diferentes sitios de una red hexagonal, formando una especie de líquido bidimensional.

 

 


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.

 

 


5.9. Estudio del comportamiento de partículas activas anisotrópicas

5.9 Estudio del Comportamiento de Partículas Activas Anisotrópicas – Tutores: Raúl Martínez, J. L. Aragonés

Tutores: Raúl Martínez, raul.martinez@uam.es, J. L. Aragonés, juan.aragones@uam.es

Se estudiará el movimiento de partículas activas de tamaño micrométrico en suspensión. Específicamente, se estudiará el comportamiento tanto individual como colectivo de partículas activas anisotrópicas. Este tipo de sistemas permiten el diseño de fluidos quirales sintéticos para interpretar comportamientos biológicos colectivos y buscar potenciales aplicaciones de estos materiales biomiméticos.

Se partirá de un enfoque teórico, que se combinará con simulaciones computacionales mediante el método Lattice-Boltzmann. El trabajo permite cierta flexibilidad tanto en el sistema concreto a tratar como en el peso relativo de los desarrollos teóricos o las simulaciones. En la parte de simulación, el alumno podrá familiarizarse con los lenguajes de programación C++ y CUDA.

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.

Tareas a realizar:

  1. Modelado hidrodinámico de una partícula autopropulsada.
  2. Modelado hidrodinámico de una partícula autopropulsada con anisotropía de forma.
  3. Simulaciones Lattice-Boltzmann de estos dos sistemas.
  4. Desarrollo de un modelo coarse-grained que recoja en una aproximación de campo medio a dos cuerpos las interacciones hidrodinámicas de campo lejano entre dos partículas activas para el estudio de sistemas grandes.
Figura 1. Simulación Lattice-Boltzmann de la una partícula en forma de media luna creciente y de una partícula esférica.

Figura 1. Simulación Lattice-Boltzmann de la una partícula en forma de media luna creciente y de una partícula esférica.

 

 


 Campos electromagnéticos en cristal fotónico.

5.10 Comportamiento de Campos Electromagnéticos en Cristales Fotónicos – Tutor: Esteban Moreno

Tutor: 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).

 

 


5.11. Propiedades termodinámicas del entrelazamiento cuántico

5.11 Propiedades Termodinámicas del Entrelazamiento Cuántico – Tutor: Rafael Sánchez

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

El campo de la termodinámica cuántica investiga la capacidad de utilizar propiedades cuánticas de los sistemas pequeños para realizar operaciones termodinámicas (por ejemplo, realizar un trabajo o convertir calor en potencia). En particular, se trata de entender de qué forma las correlaciones cuánticas pueden ser utilizadas como recurso (de manera análoga al calor absorbido de un baño térmico en una máquina de calor, para realizar trabajo) e indagar cómo aquellas permiten mejorar el comportamiento de los sistemas macroscópicos. En este trabajo se investigarán de manera teórica las propiedades del transporte de calor en un sistema de dos qubits acoplados a baños térmicos [1] y cómo éstas cambian debido al entrelazamiento cuántico, así como la posibilidad de convertir ese flujo térmico en trabajo.

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: Dos qubits entrelazados que convierten el calor de un baño térmico en trabajo.

Figura 1: Dos qubits entrelazados que convierten el calor de un baño térmico en trabajo.

Referencias:

  1. B. Karimi et al., Quantum Sci. Technol. 2, 044007 (2017); https://doi.org/10.1088/2058-9565/aa8330; https://arxiv.org/abs/1703.10499
  2. J. V. Koski et al. Phys. Rev. Lett. 115, 260602 (2015); https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.115.260602

 

 

 


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

5.12 La Información es Física: Demonios de Maxwell en Sistemas Cuánticos – Tutor: Rafael Sánchez

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

Un demonio de Maxwell es un mecanismo conceptual por el cual el conocimiento del estado microscópico de un sistema puede utilizarse para revertir sus propiedades termodinámicas. Por ejemplo, puede disminuir la entropía del sistema, en aparente conflicto con la segunda ley de la termodinámica. De esta forma, se pone de manifiesto la necesidad de considerar la información que se tiene de un sistema como una cantidad física [1]. La reciente capacidad de construir sistemas nanoscópicos en los que se puede manipular estados con un reducido número de partículas permite acceder a los grados de libertad microscópicos de la misma manera que lo haría un demonio de Maxwell [2] y, además, definir y medir de forma experimental el flujo de la información y sus propiedades termodinámicas. El objetivo de este trabajo es analizar de forma teórica la posibilidad de generar tales configuraciones en sistemas electrónicos de puntos cuánticos.

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: Demonio de Maxwell

Figura 1: Demonio de Maxwell

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. J. V. Koski et al. Phys. Rev. Lett. 115, 260602 (2015); https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.115.260602

 

 


Nanofotónica no-hermítica basada en la simetría paridad-tiempo.

5.13 Nanofotónica No-hermítica Basada en la Simetría Paridad-tiempo – Tutor: Antonio Fernández Domínguez

Tutor: Antonio Fernández Domínguez,  a.fernandez-dominguez@uam.es

Uno de los postulados fundamentales de la mecánica cuántica dice que cualquier observable de un sistema físico ha de ser descrito por un operador hermítico, de tal forma que su espectro de autovalores sea real. En los últimos años, se ha dedicado mucha atención al estudio de la sorprendente física que emerge en sistemas que, sin ser hermíticos, son simétricos bajo transformaciones de inversión espacial y temporal, lo que hace que presenten también autovalores reales. El gran desarrollo que el campo de la nanofabricación ha experimentado en la última década, hace posible explorar esta anti-intuitiva física en nanoestructuras fotónicas, que también han encontrado aplicaciones tecnológicas tales como diodos ópticos o cavidades láser. Este proyecto consiste en la simulación numérica y el análisis teórico de estos sistemas dentro del marco de la electrodinámica clásica (ecuaciones de Maxwell), con especial énfasis en la investigación de las consecuencias físicas de su no-hermiticidad a través de analogías con la física cuántica.

Una breve introducción sobre el tema en el que se enmarca este proyecto puede encontrarse en el siguiente artículo [1]: https://doi.org/10.1038/s41566-017-0031-1

La parte TFG-EXP de este proyecto se realizará dentro del laboratorio numérico de Nanofotónica del departamento de Física Teórica de la Materia Condensada.

5.13 Nanofotónica No-hermítica Basada en la Simetría Paridad-tiempo - Tutor: Antonio Fernández DomínguezReferencias:

  1. L. Feng et al. Nature Photonics 11, 752–762 (2017).

 

 


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).

 

 


Dinámica molecular modificado por fotones cuantizados en microcavidades

5.16 Dinámica Molecular Modificado por Fotones Cuantizados en Microcavidades – Tutor: Johannes Feist

Tutor: Johannes Feist, johannes.feist@uam.es, www.mmuscles.eu

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 en el régimen de acoplo fuerte, que da lugar a la posibilidad de alterar la estructura y dinámica molecular [1,2,3]. El objetivo de este trabajo es calcular la dinámica de moléculas orgánicas en este régimen e investigar cambios en reacciones fotoquímicos. 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.

El trabajo se realizará dentro del grupo del supervisor (www.mmuscles.eu).

Figura 1: Moléculas orgánicas en una microcavidad.

Figura 1: Moléculas orgánicas en una 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).
  3. H. L. Luk, J. Feist, J. J. Toppari, and G. Groenhof, “Multiscale Molecular Dynamics Simulations of Polaritonic Chemistry”, J. Chem. Theory Comput. 13, 4324 (2017).

 

 


5.17

5.17 GPU acceleration of quantum optics simulations – Tutor: Johannes Feist

Tutor: Johannes Feist, johannes.feist@uam.es, www.mmuscles.eu

A majority of theoretical work in quantum optics is based on numerical simulations, which are usually limited by the available computational power. GPUs (Graphical Processing Units) offer much higher potential speeds than CPUs, in particular for operations limited by memory bandwidth such as the sparse matrix-matrix multiplications typical in quantum optics problems. However, fully exploiting GPUs requires new codes, and while GPU computing is now quite mature with a wide range of available libraries and frameworks, no general packages for quantum optics or quantum dynamics simulations exist yet. This Trabajo Fin de Grado will consist in exploring and developing GPU codes for such applications, as well as applying them to solve problems from the current research of the supervisor’s group, such as the dynamics of complex many-level emitters (e.g., organic molecules) interacting with quantized light modes in microcavities. The implementation will most likely make use of the GPU capabilities of the Julia programming language (although there is considerable freedom in the choice of tools to be used). Strong interest in programming and numerical calculations is recommended. The TFG will be realized within the supervisor’s group (www.mmuscles.eu).

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.

 

 

 


5.17

5.18 Non-Born-Oppenheimer Dynamics in QM/MM – Tutor: Johannes Feist

Tutor: Johannes Feist, johannes.feist@uam.es, www.mmuscles.eu

This work will study the properties of non-Born-Oppenheimer transitions between molecular potential energy surfaces in systems with many degrees of freedom and many intersecting surfaces, comparing different numerical approaches (such as Tully’s fewest switches algorithm and Ehrenfest dynamics) within mixed quantum mechanics/molecular mechanics (QM/MM) calculations. These results will be compared with benchmark calculations obtained from exactly solvable quantum models. Familiarity with typical molecular physics / quantum chemistry packages (such as Gaussian, MOLCAS, TeraChem) and QM/MM approaches (as implemented in Gromacs or Newton-X) is strongly recommended.

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.

 

 

 


5.17

5.19 Nanoestructuras de Agua Caracterizadas con Microscopía de Fuerzas (AFM) – Tutor: Rubén Pérez

Tutor: Rubén Pérez, ruben.perez@uam.es, webs.ftmc.uam.es/spmth.group

Los efectos de confinamiento en una y dos dimensiones modifican la estructura que forma el agua habitualmente en sus fases liquidas y solida (hielo). El microscopio de fuerzas (AFM) nos permite obtener imágenes con resolución atómica de estas nanoestructuras [1]. En este Proyecto vamos a explorar como podemos simular teóricamente estas imágenes usando cálculos mecano-cuánticos [2,3], con el objetivo de determinar la estructura real de estos sistemas.

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: Esquema de las medidas con AFM de cadenas de agua sobre una superficie de Cu. Las esferas de color rojo, negro, blanco y marrón corresponden a los átomos de O, C, H y Cu. (b) Estructura lateral de la cadena. (c) y (d) imágenes de microscopía túnel de la cadena. (e) Imagen de microscopía de fuerzas (AFM) que permite identificar la estructura pentagonal de la cadena (esta estructura se muestra superpuesta en (d)) (tomado de [1])

Figura 1: Esquema de las medidas con AFM de cadenas de agua sobre una superficie de Cu. Las esferas de color rojo, negro, blanco y marrón corresponden a los átomos de O, C, H y Cu. (b) Estructura lateral de la cadena. (c) y (d) imágenes de microscopía túnel de la cadena. (e) Imagen de microscopía de fuerzas (AFM) que permite identificar la estructura pentagonal de la cadena (esta estructura se muestra superpuesta en (d)) (tomado de [1])

Referencias:

  1. A. Shiotari and Y. Sugimoto, Nature Communications 8:14313 (2017), DOI: 10.1038/ncomms14313
  2. M. Ellner, N. Pavlicek, P. Pou, B. Schuler, N. Moll, G. Meyer, L. Gross, and Ruben Perez, Nano Letters 16, 1974 (2016), DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b05251
  3. M. Ellner, P. Pou, and Ruben Perez, ACS Nano 13, 786 (2019), DOI: 10.1021/acsnano.8b08209

 

 


5.17

5.20 Simulación de las Propiedades Mecánicas de Ácidos Nucleicos (DNA, RNA) – Tutor: Rubén Pérez

Tutor: Rubén Pérez, ruben.perez@uam.es, webs.ftmc.uam.es/spmth.group

La estructura local y las propiedades mecánicas del DNA juegan un papel fundamental tanto en la organización a gran escala del material genético como en la interacción especifica de las proteínas con zonas muy precisas del genoma. Todavía no entendemos como la naturaleza modifica esas propiedades para controlar los procesos biológicos de transcripción y replicación. En este Proyecto, usamos herramientas de simulación [1,2] para explorar como la propia secuencia del DNA actúa como un código físico que permite modificar la estructura y flexibilidad a corta escala, y, a través de ellas, la actividad biológica.

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: La secuencia del DNA actúa como un código físico que permite modificar la estructura y flexibilidad a corta escala, y, a través de ellas, su actividad biológica.

Figura 1: La secuencia del DNA actúa como un código físico que permite modificar la estructura y flexibilidad a corta escala, y, a través de ellas, su actividad biológica.

Referencias:

  1. A. Marin-Gonzalez, J. G. Vilhena, Ruben Perez and F. Moreno-Herrero, Proc. Natl. Acad. Science 114, 7049 (2017), DOI: 10.1073/pnas.1705642114
  2. A. Marin-Gonzalez, J. G. Vilhena, F. Moreno-Herrero and Ruben Perez, Phys. Rev. Lett. 122, 048102 (2019), DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.048102

 


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