Este trabalho apresenta um estudo empregando duas técnicas óticas para monitorar o crescimento de culturas de cepas de Escherichia coli em dois meios de cultura líquidos: Espectroscopia de absorção UV-Vis (turbidimetria) e espectroscopia Raman. Na primeira técnica, a turbidez permite avaliar as diferentes fases naturais de crescimento de uma cultura bacteriana (lag, exponencial, estacionária e decaimento) por meio da densidade ótica, medida com um espectrômetro UV-VIS. Na segunda, o espalhamento Raman (medido com um espectrômetro dispersivo), a partir de amostras de água contaminada, fornece não apenas informações sobre as fases de crescimento, mas também abre a possibilidade de identificação bacteriana através da sua impressão digital característica. Mediu-se a dinâmica de duas cepas de E. coli – (nomeadas como H2/11 e H3C2/12) em um caldo líquido nutriente e quatro cepas de E. coli (nomeadas como H2/11, H3C2/12, 109 e 110) em caldo líquido EC, mantidas a 37,0°C ao longo de 24 horas. Alíquotas das amostras foram removidas da cultura em intervalos de tempo regulares para medições espectrais. A análise da turbidez permitiu medir o tempo de geração (isto é, o tempo de duplicação de uma população), que foi maior para cepas crescidas em caldo EC. Os espectros Raman forneceram informações sobre a evolução temporal das bandas a 942 cm-1, 977 cm-1, 1036 cm-1, 1086 cm-1, 1140 cm-1, 1188 cm-1, 1182 cm-1, 1207 cm-1 e 1251 cm-1, associadas com impressões digitais de componentes biológicos específicos. Os dados espectrais foram analisados por Análise de Componentes Principais (PCA). Os resultados obtidos em ambas as técnicas permitiram identificar as fases lag, exponencial e estacionária das cepas estudadas. / This work is a study using two optical techniques to monitor the growth of cultures of Escherichia coli strains in two liquid culture medium: Raman spectroscopy and UV-Vis absorption spectroscopy (turbidimetry). In one hand, turbidity allows evaluating the different phases of growth of a bacterial culture (lag, exponential, stationary and decay) by optical density, measured with an UV-VIS spectrometer. On the other hand, Raman scattering (measured with a dispersive spectrometer) from contaminated water samples not only provides information about the grow phases, but also opens a possible identification of bacterial by its characteristic fingerprint. Two strains of E. coli (named as H2 / 11 and H3C2 / 12) were measured in liquid nutrient broth and four E. coli strains (named H2 / 11, H3C2 / 12, 109 and 110) in EC liquid broth, kept at 37.0 ° C over 24 hours. Aliquots of the samples were removed from the culture at regular time intervals for spectral measurements. The turbidity analysis allowed to measure the generation time, which was higher for strains grown in EC broth. Raman spectra provided information about the time evolution of the bands at 942 cm-1, 977 cm-1, 1036 cm-1, 1086 cm-1, 1140 cm-1, 1188 cm-1, 1182 cm-1, 1207 cm-1 e 1251 cm-1, associated with fingerprints of biological components. Data were analyzed by Principal Component Analysis (PCA). These results of both techniques allowed identifying the phases lag, exponential and stationary of the studied strains.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / SOUSA, Vinícius da Silva Ramos de. O efeito magnetocalórico anisotrópico nos compostos RAl2 (R = Dy, Er, Ho, Nd e Tb). 2008. 99f. Dissertação (Mestrado em Física) - Instituto de Física Armando Dias Tavares, Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2008. O efeito magnetocalórico é a base da refrigeração magnética. O potencial magnetocalórico é caracterizado por duas quantidades termodinâmicas: a variação isotérmica da entropia (ΔSiso) e a variação adiabática da temperatura (ΔTad), as quais são calculadas sob uma variação na intensidade do campo magnético aplicado ao sistema. Em sistemas magnéticos que apresentam uma anisotropia magnética é observada uma mudança no efeito magnetocalórico, isto porque este potencial torna-se fortemente dependente da direção de aplicação do campo magnético. A anisotropia em sistemas magnéticos pode levar a um efeito magnetocalórico inverso, assim como à definição de um efeito magnetocalórico anisotrópico, o qual por definição é calculado para um campo cuja intensidade é mantida constante e cuja orientação variamos de uma direção difícil de magnetização para a direção fácil de magnetização. O efeito magnetocalórico anisotrópico foi estudado para os compostos intermetálicos de terras raras do tipo RAl2 considerando-se um modelo microscópico que leva em conta as interações de troca (na aproximação de campo médio), de Zeeman e a interação de campo elétrico cristalino, que é a responsável pela anisotropia nos compostos RAl2. O efeito magnetocalórico anisotrópico foi investigado para a série RAl2 e comparado com o efeito magnetocalórico usual. / The magnetic refrigeration is based on the magnetocaloric effect. The magnetocaloric potential is characterized by the two thermodynamics quantities: the isothermal entropy change (ΔSiso) and the adiabatic temperature change (ΔTad), which are calculated upon a change in the intensity of the applied magnetic field. In anisotropic magnetic systems it is observed a change in the magnetocaloric effect, since this potential becomes strongly dependent on the direction in which the external magnetic field is applied. The anisotropy in such magnetic systems can lead to an inverse magnetocaloric effect, as well as to the definition of an anisotropic magnetocaloric effect, that by definition is calculated upon a magnetic field which intensity is kept fixed and which orientation is changed from a hard direction of magnetization to the easy direction of magnetization. This anisotropic magnetocaloric effect was performed for the RAl2 intermetallic compounds considering a microscopic model Hamiltonian that includes the Zeeman interaction, the exchange interaction (taken in the mean field approximation) and the crystalline electrical field, that is responsible for the anisotropy in the RAl2 compounds. The anisotropic magnetocaloric was fully investigated for the serie RAl2 and compared with the usual magnetocaloric effect and several curves of (ΔSiso) and (ΔTad) were obtained.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Um estudo da interação entre desordem e polarização de spin no GaMnAs ajuda a compreender a natureza dos estados, estendidos ou localizados, bem como as consequências para as transições observadas sobre as propriedades de transporte e às mudanças na ordem magnética de momentos magnéticos localizados em sítios de Mn. Este estudo pressupõe a ocorrência de uma banda impureza com baixas concentrações de Mn, que merge na banda valência no caso de concentrações mais elevadas. A abordagem teórica, baseada em um formalismo de espalhamento múltiplo auto-consistente, através do cálculo da função de Green para buracos determina-se a função densidade espectral no nível de Fermi. A escolha de uma figura de mérito, com base na largura e sobre a posição do máximo da função densidade espectral no espaço recíproco, leva a um diagrama de fase que determina o caráter metálicos ou não metálicos da amostra. Também é possível identificar a mobility edge, e como consequência, a densidade efetiva de portadores livre. Uma amostra é definida pelo par de parâmetros independentes, a concentração de Mn e a densidade buraco. As melhores amostras, aquelas com os maiores valores de mérito, tem uma relação entre a densidade de buracos estendidos e a concentração de Mn aproximadamente de 0.3, muito próximo do raio de 10-25% observada entre as amostras reais produzidos com a mais alta temperatura de transição. Além disso, a relação entre essas concentrações de Mn correspondente as transições metal-não-metal e não-metal-metal que é de aproximadamente 2.4, muito próximo do valor 2.1 da amostras reais. Uma interpretação da ocorrência de ferromagnetismo com alta temperatura de transição em GaMnAs é dada como uma consequência da interação entre o mecanismo de interação assistido por estados localizados e interações indiretas assistida pelo estdos buraco estendidos. Portadores mediando magnetismo em semicondutores mostram diferenças importantes e potencialmente úteis a diferenças de magnetismo em metais tais como o luz- ou voltagem elétrica -controlando ferromagnetismo. Motivado por experiências reportadas em poços quânticos de GaAs com uma dopagem delta de Mn com altas temperaturas Currier (temperatura de transição) mais elevadas do que em bulk de (Ga, Mn)As, nós exploramos teoricamente a viabilidade do campo elétrico controlar ferromagnetismo em poços quânticos. Nós calculamos auto-consistentemente a interação de troca indireta em Mn-Mn íons e aplicamos a simulação Monte Carlo para encontrar transição temperatura Tc. A nossa abordagem permite-nos estudar sistematicamente os efeitos de confinamento quântico e da posição da camada magnética de Mn e Tc, que vai além da aproximação do campo médio. Nós comparamos nossos resultados com os resultados experimentais e sugerimos caminho para o melhor controle do ferromagnetismo. / A study of the interplay between disorder and spin polarization in the diluted magnetic semiconductor GaMnAs helps to understand the character of states, extended or localized. This study assumes the occurrence of an impurity band which merges into the valence band at higher concentrations. The theoretical approach, based on a self-consistent multiple scattering formalism, determines the spectral density function at the Fermi level from the calculation of the hole's Green's functions. A choice of a figure of merit, based on the width and on the position of the maximum of the spectral density function in the reciprocal space, leads to a phase diagram determining the metallic or non-metallic character of the sample. It is also possible to identify mobility edges and, in consequence, the density of effectively free carriers. A model sample is defined by the pair of independent parameters, Mn concentration and hole density. The best samples, those with the highest figures of merit, have a ratio between the extended hole density and the Mn concentration near 0.3, very close to ratio of 10-30% observed among the real samples produced with the highest transition temperatures. Also, the ratio between those Mn concentrations corresponding to the metal-to-non-metal and non-metal-to-metal transitions is approximately 2.4, very close to the value 2.1 inferred from the real samples. An interpretation of the occurrence of high transition temperature ferromagnetism in GaM-nAs is given as a consequence of the interplay between interaction mechanism assisted by localized states and indirect interactions assisted by extended hole states. Carrier mediated magnetism in semiconductors show important and potentially useful differences from magnetism in metals,such as light- or bias-controlled ferromagnetism. Motivated by experiments reporting higher Currier temperatures in GaAs quantum wells with Mn-delta doping than the ones observed in bulk (Ga,Mn)As, we explore theoretically the feasibility of bias-controlled ferromagnetism these systems. We calculate self-consistently indirect Mn-Mn exchange interaction, and apply Monte Carlo approach to find transition temperature Tc. Our approach allows us to systematically study the eects of quantum confinement and the position of Mn layer on magnetic ordering and Tc, beyond mean field approximation. We compare our findings with the experimental results and suggest paths toward improving the control of ferromagnetism.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / O efeito magnetocalórico, base da refrigeração magnética, é caracterizado por duas quantidades: a variação isotérmica da entropia (ΔST) e a variação adiabática da temperatura (ΔTS); que são obtidas sob variações na intensidade de um campo magnético aplicado. Em sistemas que apresentam anisotropia magnética, pode‐se definir o efeito magnetocalórico anisotrópico, o qual, por definição, é calculado sob variações na direção de aplicação de um campo magnético cuja intensidade mantém‐se fixa, e é caracterizado por duas quantidades: a variação anisotrópico‐isotérmica da entropia (ΔSan) e a variação anisotrópico‐adiabática da temperatura (ΔTan). O efeito magnetocalórico e o efeito magnetocalórico anisotrópico foram estudados nos compostos intermetálicos formados por terras e outros materiais não magnéticos: RNi2, RNi5, RZn e Gd1‐nPrnAl2. Os cálculos foram feitos partindo de hamiltonianos modelo que incluem as interações de troca, Zeeman, de campo cristalino e quadrupolar. / The magnetic refrigeration is based on the magnetocaloric effect. The magnetocaloric potential is characterized by the two thermodynamics quantities: the isothermal entropy change (ΔSiso) and the adiabatic temperature change (ΔTad), which are calculated upon a change in the intensity of the applied magnetic field. In anisotropic magnetic systems it is observed a change in the magnetocaloric effect, since this potential becomes strongly dependent on the direction in which the external magnetic field is applied. The anisotropy in such magnetic systems can lead to an inverse magnetocaloric effect, as well as to the definition of an anisotropic magnetocaloric effect, that by definition is calculated upon a magnetic field which intensity is kept fixed and which orientation is changed from a hard direction of magnetization to the easy direction of magnetization. This anisotropic magnetocaloric effect was performed for the RAl2 intermetallic compounds considering a microscopic model Hamiltonian that includes the Zeeman interaction, the exchange interaction (taken in the mean field approximation) and the crystalline electrical field, that is responsible for the anisotropy in the RAl2 compounds. The anisotropic magnetocaloric was fully investigated for the serie RAl2 and compared with the usual magnetocaloric effect and several curves of (ΔSiso) and (ΔTad) were obtained.

CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / Neste trabalho, estudou-se o efeito da temperatura nos espectros Raman de cristais de L-alanina + Ãcido oxÃlico, C3H8NO2+.C2HO4-. Foram realizadas medidas de espectroscopia Raman em policristais a diferentes temperaturas no intervalo compreendido entre a temperatura ambiente e a temperatura de 20 K, sendo fornecida uma identificaÃÃo tentativa para todos os modos normais de vibraÃÃo observados. Para auxiliar o entendimento do comportamento do cristal tambÃm foram obtidos os difratogramas de raios-X bem como estudada a dependÃncia dos parÃmetros de rede em funÃÃo da temperatura atravÃs de dilatometria no intervalo entre 290 K e 93 K. As trÃs tÃcnicas utilizadas em conjunto permitiram mostrar o comportamento estrutural do material em baixas temperaturas. Deste quadro foi possÃvel inferir que os cristais de L-alanina + Ãcido oxÃlico apresentam trÃs diferentes transiÃÃes de fase durante o resfriamento. Em 250 K o aparecimento de um dubleto em 90 cm-1 e a anomalia num dos parÃmetros de rede apontam para a ocorrÃncia da primeira transiÃÃo de fase. Em 150 K surgem pelo menos duas novas bandas no espectro Raman, ao mesmo tempo em que ocorrem bruscas mudanÃas de inclinaÃÃo nas curvas que representam as dimensÃes dos eixos a e c do cristal. TambÃm se verifica que, de forma semelhante ao que ocorre com os espectros Raman, aparecem novos picos no difratograma de raios-X em torno desta temperatura, caracterizando assim a segunda transiÃÃo de fase. A uma temperatura ainda mais baixa, em torno de 43 K, foi verificada a ocorrÃncia da terceira transiÃÃo de fase, que tem como principal caracterÃstica a separaÃÃo de dois modos Raman associados a modos da rede. MudanÃas nos ambientes dos grupos CH3 e do NH3+ durante o resfriamento sÃo discutidas. Um importante aspecto apresentado pelos espectros Raman com o resfriamento da amostra foi o deslocamento da banda de mais baixa energia para menores valores de frequÃncias, semelhantemente ao que ocorre com vibraÃÃes do tipo soft-mode em materiais ferroelÃtricos, embora a frequÃncia do modo no cristal de L-alanina + Ãcido oxÃlico nÃo tenha ido à zero. Baseado nos resultados acima e nos possÃveis sÃtios de simetria ocupados pelas molÃculas atravÃs do grupo O=CC nas diversas fases, sugere-se a seguinte sequÃncia de transiÃÃes de fase D24 para C2h5 para Cs3 para C23, que aconteceriam, respectivamente, nas temperaturas de 250 K, 150 K e 43 K. / In the present word we have studied the effect of temperature on the Raman spectra of crystals of L-alanine + oxalic acid, C3H8NO2+.C2HO4-. Raman spectroscopy measurements were performed on polycrystalline samples at different temperatures varying in the range from room temperature to T = 20 K; a tentative assignment of all normal modes was furnished. In order to help the understanding of the crystal behavior we have also obtained X-ray diffractograms and studied the dependence of lattice parameters through dilatometry as a function of temperature in the 290 K â 93 K range. The three different techniques allowed us to construct a picture of the material under low temperature conditions. As a consequence we have realized that L-alanine + oxalic acid crystal undergoes three phase transitions at low temperatures. The splitting of a band at 90 cm-1 and an anomaly in one of the lattice parameters are the signature for the first phase transition that is observed at 250 K. At 150 K it was observed the appearance of two new bands in the Raman spectrum and, simultaneously, it was observed change in the curves of a and c lattice parameters. Additionally, it was verified the appearance of new peaks in the X-ray diffractogram at the same temperature, characterizing the second phase transition. At a temperature even lower, at about 43 K, it was verified the occurrence of the third phase transition that has as main characteristic the splitting of two bands that are associated to the lattice modes. Changes in the modes associated with CH3 and NH3+ during the cooling is discussed. An important behavior of the crystal with the cooling process was the red shift of the band of lower frequency, similar to the soft-mode vibration of ferroelectric materials, although the frequency of the mode in L-alanine + oxalic acid does not goes to zero. Based on the results on Raman spectroscopy, dilatometry and X-ray diffraction, and on the possible symmetry sites occupied by the molecules through the O=CC group in the various phases, it is suggested the following sequence of phase transitions D24  C2h5  Cs3  C23, which should occur at 250 K, 150 K and 43 K.

CoordenaÃÃo de AperfeÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / Os avanÃos nas tÃcnicas de crescimento tornaram possÃvel a fabricaÃÃo de estruturas semicondutoras quase-unidimensionais em escalas nanomÃtricas, chamadas pontos, fios, poÃos e anÃis quÃnticos. Interesse nessas estruturas tem crescido consideravelmente, nÃo sà devido Ãs suas possÃveis aplicaÃÃes em dispositivos eletrÃnicos e à sua manipulaÃÃo quÃmica fÃcil, mas tambÃm porque eles oferecem a possibilidade de explorar experimentalmente vÃrios aspectos de confinamento quÃntico, espalhamento e fenÃmenos de interferÃncia. Em particular, neste trabalho, investigamos as propriedades eletrÃnicas e de transporte em poÃos quÃnticos, fios e anÃis, cujas dimensÃes podem ser alcanÃados experimentalmente. Para isto, resolvemos a equaÃÃo de SchrÃdinger dependente do tempo utilizando o mÃtodo Split-operator em duas dimensÃes. Nesta tese, abordamos quatro trabalhos, sendo o primeiro uma analogia ao Paradoxo de Braess para um sistema mesoscÃpico. Para isso, utilizamos um anel quÃntico com um canal adicional na regiÃo central, alinhado com os canais de entrada e saÃda. Este canal extra faz o papel do caminho adicional em uma rede de trÃfego na teoria dos jogos, similar ao caso do paradoxo de Braess. Calculamos as auto-energias e a evoluÃÃo temporal para o anel quÃntico. Surpreendentemente, o coeficiente de transmissÃo para algumas larguras do canal extra diminuiu, semelhante ao que acontece com redes de trÃfego, onde a presenÃa de uma via extra nÃo necessariamente melhora o fluxo total. Com a analise dos resultados obtidos, foi possÃvel determinar que neste sistema o paradoxo ocorre devido a efeitos de interferÃncia e de espalhamento quÃntico. No segundo trabalho, foi feita uma extensÃo do primeiro, (i) aplicando-se um campo magnÃtico, onde foi possÃvel obter o efeito Aharonov-Bohm para pequenos valores do canal extra e controlar efeitos de interferÃncia responsÃveis pelo paradoxo mencionado, e (ii) fazendo tambÃm a aplicaÃÃo de um potencial que simula a ponta de um microscÃpio de forÃa atÃmica (AFM) interagindo com a amostra - este potencial à repulsivo e simula um possÃvel fechamento do caminho em que o pacote de onda se propaga. Assim, neste trabalho, realizamos uma contra-prova do primeiro, onde observamos que com o posicionamento da ponta do AFM sobre canal extra, se diminui o efeito de reduÃÃo de corrente devido ao paradoxo de Braess. No terceiro trabalho, realizamos uma anÃlise de tunelamento entre dois fios quÃnticos separados por uma certa distÃncia e calculamos qual a menor distÃncia para qual ocorre tunelamento significativo nesse sistema eletrÃnico. Este trabalho à de fundamental importÃncia para o manufaturamento de dispositivos nanoestruturados, porque nos permite investigar qual a distÃncia mÃnima para a construÃÃo de um circuito eletrÃnico sem que haja interferÃncias nas transmissÃes das informaÃÃes. No quarto e Ãltimo trabalho desta tese, investigamos a energia de ligaÃÃo do elÃtron-impureza em GaN/HfO2 para um poÃo quÃntico. Consideramos simultaneamente as contribuiÃÃes de todas as interaÃÃes das auto-energias devido ao descasamento das constantes dielÃtricas entre os materiais. Foram estudados poÃos largos e estreitos, comparando os resultados para diferentes posiÃÃes da impureza e a contribuiÃÃo da auto-energia para o sistema. / Advances in growth techniques have made possible the fabrication of quasi one-dimensional semiconductor structures on nanometric scales, called quantum dots, wires, wells and rings. Interest in these structures has grown considerably not only due to their possible applications in electronic devices and to their easy chemical manipulation, but also because they offer the possibility of experimentally exploring several aspects of quantum confinement, scattering and interference phenomena. In particular, in this work, we investigate the electronic and transport properties in quantum wells, wires and rings, whose dimensions can be achieved experimentally. For this purpose, we solve the time-dependent SchrÃdinger equation using the split-operator method in two dimensions. We address four different problems: in the first one, the electronic transport properties of a mesoscopic branched out quantum ring are discussed in analogy to the Braess Paradox of game theory, which, in simple words, states that adding an extra path to a traffic network does not necessarily improves its overall flow. In this case, we consider a quantum ringindex{Quantum ring} with an extra channel in its central region, aligned with the input and output leads. This extra channel plays the role of an additional path in a similar way as the extra roads in the classical Braess paradox. Our results show that in this system, surprisingly the transmission coefficient decreases for some values of the extra channel width, similarly to the case of traffic networks in the original Braess problem. We demonstrate that such transmission reduction in our case originates from both quantum scattering and interference effects, and is closely related to recent experimental results in a similar mesoscopic system. In the second work of this thesis, we extend the first system by considering different ring geometries, and by investigating the effects of an external perpendicular magnetic field and of obstructions to the electrons pathways on the transport properties of the system. For narrow widths of the extra channel, it is possible to observe Aharonov-Bohm oscillations in the transmission probability. More importantly, the Aharonov-Bohm phase acquired by the wave function in the presence of the magnetic field allows one to verify in which situations the transmission reduction induced by the extra channel is purely due to interference. We simulate a possible closure of one of the paths by applying a local electrostatic potential, which can be seen as a model for the charged tip of an atomic force microscope (AFM). We show that positioning the AFM tip in the extra channel suppresses the transmission reduction due to the Braess paradox, thus demonstrating that closing the extra path improves the overall transport properties of the system. In the third work, we analyze the tunneling of wave packets between two semiconductor quantum wires separated by a short distance. We investigate the smallest distance at which a significant tunneling between the semiconduting wires still occur. This work is of fundamental importantance for the manufacturing of future nanostructured devices, since it provides information on the minimum reasonable distances between the electron channels in miniaturized electronic circuits, where quantum tunnelling and interference effects will start to play a major role. In the last work of this thesis, we investigate the binding energy of the electron-impurity pair in a GaN/HfO2 quantum well. We consider simultaneously the contributions of all interactions in the self-energy due to the dielectric constant mismatch between materials. We investigate the electron-impurity bound states in quantum wells of several widths, and compared the results for different impurity positions.

Conselho Nacional de Desenvolvimento CientÃfico e TecnolÃgico / Grades de Bragg nÃo-lineares tÃm sido consideradas desde o final do sÃculo passado para aplicaÃÃes em sistemas de comunicaÃÃes Ãpticas e sensoriamento. O estudo de pulsos ultra-curtos em grades de Bragg lineares, entretanto, sà tem sido considerado nos Ãltimos anos, devido ao desenvolvimento de tÃcnicas numÃricas especÃficas para se resolver o problema. Neste trabalho, foi realizado um estudo analÃtico-numÃrico das caracterÃsticas de transmissÃo e reflexÃo das grades de Bragg nÃo-lineares. Pela primeira vez, foram consideradas variaÃÃes periÃdicas da nÃo-linearidade no dispositivo operando no regime de onda continua, levando a uma nova classe de grades nÃo-uniformes. CaracterÃsticas dos estados bi- e multi-estÃveis foram extensamente investigados nas grades de Bragg nÃo-lineares. TambÃm, pela primeira vez, foi realizado o estudo numÃrico de pulsos ultracurtos ($sim$1 ps) incidindo em grades nÃo-lineares. O enfoque foi dado para a dependÃncia da intensidade de um pulso ultracurto ao passar por tal grade. Foram estudadas, ainda, as dependÃncias na forma temporal da profundidade de modulaÃÃo da grade e do Ãndice nÃo-linear. Grades apodizadas foram consideradas, jà que estas sÃo de importÃncia fundamental nos sitemas de comunicaÃÃes modernos. / Nonlinear fiber Bragg gratings has been considered since the end of last century for applications in optical communications and sensor techniques. The investigation of ultrashort pulses in linear Bragg gratings, however has been considered in the last few years due the development of specifical numerical techniques to solve this problem. In the present work an analytical and numerical study of the reflection and transmission characteristics of nonlinear Bragg gratings was done. For the first time, it has been considered periodic variations of the nonlinearity in that devices operating in the continuous wave regime, leading to a new class of nonuniform gratings. It was extensively investigated the bi- and multistable characteristics in these nonlinear fiber Bragg gratings. Also, for the first time, the numerical study of ultrahsort pulses ($sim$1 ps) incident in nonlinear gratings was done. The focus was the input pulse intensity dependence on that gratings. Also, the depedences in the time shapes of grating index modulation depth and nonlinear index were studied. Apodized gratings were considered since they are of fundamental importance in modern communications systems.

Made available in DSpace on 2014-07-29T15:07:08Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2010-05-26 / In this work we investigated the encapsulation of magnetite nanoparticles into the nanopores of anodic alumina membranes using atomic force microscopy (AFM), vibrating sample magnetometer (VSM) and electron magnetic resonance (EMR). Three biocompatible magnetic fluids, with different nanoparticle diameters, stably dispersed in water at physiological conditions, were used. The nanoparticles were obtained through the coprecipitation method and characterized by X-ray diffraction, from which we obtained the nanoparticle size and confirmed the crystal structure. The Scherrer´s relation revealed a nanoparticle diameter of 10.1nm, 12.3nm and 13.8nm. The alumina membrane were prepared through anodization process. The nanopores were arranged on a hexagonal lattice with an alumina thickness of 4 μm, a distance between pores (center to center) of 105 nm, and samples containing nanopores with diameter of 35 nm or 80 nm. The method of encapsulation of nanoparticles consisted of depositing a drop of magnetic fluid into the surface of alumina. The fluid enters the nanopores through capillarity carrying the nanoparticles into it. AFM images prove that we had success in encapsulating nanoparticles only for the alumina samples with nanopores with a size of 80 nm. Magnetization data of the alumina sample containing nanoparticles with a diameter of 13.8nm encapsulated into nanopores of 80 nm, revealed an increase, with respect to the first procedure of encapsulation, of 48 % of the nanoparticles internalized into the nanopore after the second process of encapsulation. Further, different from all the samples investigated, EMR data for the alumina containing nanopores of 80 nm and nanoparticles of 13.8 nm, after the first procedure of encapsulation, had shown perpendicular magnetization with respect to the alumina surface. The EMR spetra were curve fitted using two Gaussian lines, one representing the nanoparticles with magnetization parallel to the surface and the other perpendicular. AFM images suggest, in our sample, that residues on the alumina surface are responsible for the parallel component. The magnetic resonance field data, for the perpendicular contribution, were analyzed taking into account in the energy density terms with uniaxial and cubic symmetry. The uniaxial energy contribution had a term due to magnetic dipolar interaction, between nanoparticles forming a linear chain, a magnetostatic term, due to the nanostructures self-organization, and also a magnetoelastic contribution, which came from the stress generated by the packing of nanoparticles, whose origin were related to the dipolar interaction between nanoparticles forming the linear chain. Indeed, the theoretical analysis allowed us to conclude that the mean size of the chain could vary from 4 to 9.5 nanoparticles. Finally, after heating the alumina, at 300°C for one hour, which contained nanoparticles with a size of 10.1 nm, and dissolving it in NaOH aqueous solution, AFM data were obtained. The AFM images confirmed the existence of nanowires. The diameter distribution, obtained from the AFM images, were curve fitted with a lognormal distribution revealing a modal diameter for the nanowires of 25,8 0, ± 4nm and diameter dispersity of 0,30 ± 0,02nm . / Neste trabalho investigamos o encapsulamento de nanopartículas de magnetita (Fe3O4) em nanoporos de alumina anódica utilizando as técnicas de Microscopia de Força Atômica (AFM), Magnetometria de Amostra Vibrante (VSM) e Ressonância Magnética Eletrônica (RME). Utilizamos três fluidos magnéticos com nanopartículas de diâmetros diferentes dispersas em solução fisiológica. As nanopartículas foram sintetizadas pelo método da coprecipitação e foram caracterizadas por difração de raios-x, de onde confirmamos sua estrutura cristalina e obtivemos o diâmetro. A relação de Scherrer forneceu os seguintes diâmetros: DRX=10,1nm, DRX=12,3nm e DRX=13,8nm. As membranas de alumina foram preparadas pelo método da anodização de um filme de alumínio puro, gerando nanoporos em um arranjo hexagonal, sendo a espessura da alumina de 4μm com distância entre poros centro a centro de 105nm e amostras contendo diâmetros de nanoporos de 35nm ou 80nm. O método de encapsulamento das nanopartículas consistiu em depositar uma gota do fluido magnético sobre a alumina, que penetra nos nanoporos por capilaridade, carreando as nanopartículas. Imagens de AFM mostraram que obtivemos sucesso no encapsulamento das nanopartículas em alumina somente nas amostras com nanoporos de 80nm. Uma comparação entre as curvas de magnetização da amostra com nanopartículas de DRX=13,8nm em nanoporos de 80nm, encapsuladas uma vez e duas vezes, mostrou um acréscimo de 48% no número de nanopartículas encapsuladas do primeiro para o segundo processo de encapsulamento. Além disso, diferentemente de todas as outras amostras estudadas, os dados de RME para alumina com nanoporos de 80 nm e nanopartículas com diâmetro de 13,8 nm, após o primeiro processo de encapsulamento, apresentaram magnetização perpendicular ao plano da membrana de alumina. O espectro de RME foi ajustado por duas gaussianas, uma representando uma componente com magnetização paralela e outra perpendicular. Imagens de AFM sugerem, na nossa amostra, que resíduos na superfície são responsáveis pela componente paralela. A análise dos dados do campo de ressonância para a componente perpendicular foram ajustados considerando termos de simetria uniaxial e cúbica para a densidade de energia. Na contribução uniaxial foi explicitado o termo devido à interação dipolar magnética, entre nanopartículas formando uma cadeia linear, o termo magnetostático, devido à autoorganização das nanoestruturas, e um magnetoelástico, proveniente do stress gerado pelo empacotamento das nanopartículas, cuja origem foi atribuída à interação dipolar entre as nanoestruturas formando a cadeia. A análise teórica permitiu, ainda, concluir que o tamanho médio das cadeias lineares formadas no interior dos nanoporos corresponde a 6,0 nanopartículas, podendo variar entre 4 e 11. Essas cadeias podem existir não somente em nanoporos diferentes, mas também no interior de um mesmo nanoporo. Por fim, após aquecermos a membrana de alumina, a 300°C por 1 hora, que continha nanopartículas com DRX=10,1nm e a dissolvermos em uma solução aquosa de NaOH, obtivemos imagens de AFM dos nanofios. Uma distribuição de tamanho construída a partir das imagens e ajustada por uma lognormal nos forneceu um diâmetro modal para os nanofios de 25,8 0, ± 4nm e uma dispersidade de 0,30 ± 0,02nm.

Conselho Nacional de Desenvolvimento CientÃfico e TecnolÃgico / CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / Neste trabalho, alÃm dos capÃtulos que envolvem a teoria e definiÃÃes, foi basicamente divido em trÃs estudos: Primeiro (capÃtulo 4), apresentamos uma investigaÃÃo numÃrica do desempenho de um filtro passa-banda totalmente Ãptico composto por um acoplador direcional duplo seguido de duas grades de Bragg simetricamente iguais gravadas nos seus braÃos de saÃda. Esta configuraÃÃo caracteriza um InterferÃmetro de Michelson com caracterÃsticas de um filtro add/drop. As caracterÃsticas de transmissÃo (T), taxa de extinÃÃo (XR) e âcrosstalkâ (XT) foram estudadas a partir da aplicaÃÃo de um sinal CW (onda contÃnua) na entrada do dispositivo. A teoria de modos acoplados e o mÃtodo de Runge Kutta de 4a ordem foram aplicados, respectivamente para resolver as equaÃÃes diferenciais acopladas. Este à o primeiro estudo feito considerando a nÃo linearidade do acoplador e a linearidade das grades de Bragg. O dispositivo apresenta um comportamento altamente nÃo-linear em funÃÃo do defasamento entre as amplitudes dos feixes refletidos e em funÃÃo da potÃncia de entrada. Num segundo momento (capÃtulo 5) apresentamos a propagaÃÃo e chaveamento de pulsos ultracurto (~2ps) usando um interferÃmetro de Michelson de Fibras Ãpticas. Neste estudo o desempenho do interferÃmetro à estudado como uma funÃÃo das caracterÃsticas nÃo lineares do acoplador e das grades de Bragg. Os estudos numÃricos foram feitos a partir das equaÃÃes de modos acoplados resolvidas usando o mÃtodo de Runge-Kutta de 4 ordem. As caracterÃsticas de chaveamento do pulso foram analisadas em funÃÃo da potÃncia de entrada e do defasamento aplicado em uma das grades de Bragg. As caracterÃsticas de transmissÃo (T), coeficiente de ExtinÃÃo (XR), âcrosstalkâ (XT), fator de compressÃo (FC). Utilizamos trÃs valores de potÃncia de entrada: abaixo da potÃncia critica (P0=1W), igual a potÃncia crÃtica (P0=1,73W) e acima da potÃncia crÃtica (P0=1,95W). AtravÃs deste estudo, pode-se verificar que a transmissÃo, taxa de extinÃÃo, âcrosstalkâ e fator de compressÃo dependem da potÃncia da bombeio inserida no dispositivo e da defasagem aplicada. O interferÃmetro de Michelson em fibras implementa componente de grande importÃncia para aplicaÃÃes em redes Ãpticas, como os demultiplexadores add/drop. Este dispositivo tem atraÃdo bastante interesse no campo das telecomunicaÃÃes devido a sua alta capacidade de taxas de transmissÃo. Num terceiro momento foi apresentado um estudo de simulaÃÃo numÃrica do desempenho da codificaÃÃo e decodificaÃÃo de pulsos Ãpticos curtos (ps) em sistemas OCDMA (Optical Code Division Multiple Access â acesso VIII mÃltiplo por divisÃo de cÃdigo no domÃnio Ãptico) baseado em FBG (Fiber Bragg Grating â grade de Bragg em fibra Ãptica) onde os cÃdigos sÃo inseridos atravÃs de saltos discretos na fase Ãptica (Âπ). Para geraÃÃo de pulsos codificados foram utilizados cÃdigos de Gold obtidos analiticamente. Analisamos como a inserÃÃo de cÃdigos adicionais afetam a autocorrelaÃÃo e correlaÃÃo cruzada. O interferÃmetro de Michelson inicialmente estudado no capÃtulo 4 foi utilizado para propagaÃÃo e chaveamento de sinais codificados. Baseados nas caracterÃsticas de TransmissÃo (T) e Taxa de extinÃÃo (XR) fizemos um estudo do dispositivo como multiplexador /demultiplexador add/drop na recuperaÃÃo de pulsos codificados. / This work, in addition the chapters which involves both theory and definitions, was basically divided three studies: First (chapter 4),we present a numerical investigation of the performance of a bandpass filter composed of an all-optical directional coupler, followed by two double bars Bragg recorded symmetrically equal outputs in their arms. This configuration features a Michelson interferometer with characteristics of an add/ drop filter. The transmission characteristics (T), extinction rate (XR) and "crosstalk" (XT) were studied based on the application of a CW signal (continuous wave) into the device. Theory of coupled modes and the Runge Kutta fourth order were applied respectively to solve the coupled differential equations. This is the first study considering the nonlinearity of the coupler and the linearity of Bragg gratings. The device features a highly nonlinear behavior as a function of dephasing between the amplitudes of the reflected beams and depending on the input power. In a second step (section 5), the propagation and switching of ultrashort pulse (~ 2PS) Michelson interferometer using an optical fiber. In this study the performance of the interferometer is studied as a function of the nonlinear characteristics of the coupler and Bragg gratings. The numerical studies were made from the coupled mode equations solved using the Runge-Kutta 4th order. The pulse switching characteristics were analyzed as a function of input power and applied to one dephasing Bragg gratings. The transmission characteristics (T), extinction coefficient (XR), "crosstalk" (XT), the compression factor (CF)and shape of the pulses were analyzed for different values of phase and different input powers. We use three values of input power: below the critical power (1W = P0), equal to the critical power (P0 = 1.73W) and above the critical power (P0 = 1.95W). Through this study, it is found that the transmission rate of extinction, "crosstalk" and compression factor depends on the power of the pump device inserted into the gap and applied The Michelson interferometer fiber implement major component with applications in optical networks, such as demultiplexers add/drop. This device has attracted considerable interest in the field of telecommunications due to its ability of high transmission rates. In the third place was presented a numerical simulation study of the performance of encoding and decoding of short optical pulses (ps) systems OCDMA (Optical Code Division Multiple Access based on FBG (Fiber Bragg Grating ) where codes are inserted through discrete jumps in the optical phase ( π). For generation of coded pulses were used Gold codes obtained analytically. We look at how the inclusion of additional codes affect the autocorrelation and cross correlation.The Michelson interferometer initially studied Chapters 4 was used for propagation and switching of encrypted signals. Based on the characteristics of transmission (T) and extinction rate (XR) did a study of the device as multiplexer/demultiplexer add / drop in the recovery of coded pulses.

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The continuous changing in the ionospheric conditions caused by space weather strongly affects the propagation of electromagnetic waves, particularly in high frequency (HF).This work aims to investigate the propagation of radio signals in the equatorial region, between November 2013 to October 2014 in the following frequencies: 1,8 MHz, 14 MHz, 28 MHz and 50 MHz. The study was performed using DPS4 digisonde data, propagation model (VOACAP) and amateur radio receivers. The work consists of radio signals analysis emitted by two amateur radio stations located in Punta Arenas (latitude: 53.15°S; longitude: 70.92°W; dip. latitude: 39.37ºS) and in Nairóbi (latitude: 1.28ºS; longitude: 36.88ºE; dip. latitude: 10.74ºS). These radio signals were recorded at the amateur radio receiving stations located in Boa Vista (latitude: 2.82°N; longitude: 60.76°W; dip. latitude: 15,14ºN), Campo Grande (latitude: 20.5oS; longitude: 54.7oW; dip. latitude: 16.99ºS) and São Luís (latitude: 2.53oS; longitude: 44.30oW; dip. latitude: 3.28ºS) located in the region of the equatorial ionization anomaly (EIA) and at the magnetic equator in the Brazilian sector. It was emphasized the analysis of the maximum usable frequency (MUF) obtained from the foF2 ionospheric parameter and the signal-to-noise ratio (SNR) in each path between radio amateur transmitters (Tx) and the receivers (Rx). Results indicate that the ionosphere response was different in relation to the radio signals that propagate in and out of the equatorial region. According to SNR values measured at the receiving stations, The communications in 1.8 MHz were only possible at evenings of winter months between Punta Arenas and Boa Vista and between Punta Arenas an Sao Luis. The communications in 14 MHz were possible on all routes during the summer months and during equinoxes period at any hour of the day, but during the winter period the transmissions from Punta Arenas were only received in São Luís and Campo Grande during daylight hours. The 28 MHz transmissions from Nairobi were received during the summer months in all stations 24 hours by day, but transmissions at the same frequency from Punta Arenas only were received in São Luís and Campo Grande. At other times of the year the communications over the same frequency were only possible during daylight hours. The communications in 50 MHz were only possible in the summer months coming from Nairobi station. / A ionosfera desempenha um papel importante na propagação de ondas eletromagnéticas, o que proporciona uma oportunidade para estudar sua variabilidade e seus efeitos sobre os sinais de rádio. A mudança contínua nas condições ionosféricas causadas pelo clima espacial afeta fortemente a propagação principalmente em alta frequência (HF), em virtude disso esse trabalho apresenta resultados de investigação sobre a propagação de sinais de rádio realizado durante um ano, entre novembro de 2013 a outubro de 2014 nas frequências 1,8 MHz, 14 MHz, 28 MHz e 50 MHz na região equatorial. O estudo foi realizado usando dados de digissonda, modelo de propagação (VOACAP) e receptores de rádio amador. O trabalho consiste na análise de sinais de rádio emitidos por duas estações transmissoras de rádio amador localizadas em Punta Arenas (53,15°S; 70,92°W; dip. latitude: 39,37ºS) e em Nairóbi (1,28ºS; 36,88ºE; dip. latitude: 10,74ºS), sendo esses sinais de rádio registrados nas estações receptoras de rádio amador localizadas em Boa Vista (2,82°N; 60,76°W; dip. latitude: 15,14ºN), Campo Grande (20,5oS; 54,7oW; dip. latitude: 16,99ºS) e São Luís (2,53oS; 44,30oW; dip. latitude: 3,28ºS), isto é, na região da anomalia equatorial de ionização (EIA) e no equador magnético no setor brasileiro. O estudo enfatizou a análise do parâmetro ionosférico denominado máxima frequência utilizável (MUF), bem como a relação sinal-ruído (SNR) em cada trajeto entre transmissor (Tx) e receptor (Rx). Os resultados indicam que a resposta da ionosfera foi diferente em relação aos sinais de rádio que se propagam dentro e fora da região equatorial. De acordo com valores da SNR medidos nas estações receptoras, as intensidades dos sinais de rádio nas frequências especificadas variam no período de 24 horas. As comunicações em 1,8 MHz só foram possíveis nos enlaces entre Punta Arenas e Boa Vista e São Luís durante os meses de inverno no período da noite. As comunicações em 14 MHz foram possíveis em todos os trajetos durante 24 horas nos meses de verão e nos equinócios, mas no período de inverno as transmissões de Punta Arenas só foram recebidas em São Luís e Campo Grande durante as horas do dia. As transmissões em 28 MHz de Nairóbi foram recebidas durante 24 horas nos meses de verão em todas as estações, as de Punta Arenas só em São Luís e Campo Grande. Nos demais períodos do ano as comunicações só foram possíveis durante as horas do dia. As comunicações em 50 MHz só foram possíveis nos meses de verão e apenas com a estação de Nairóbi.