Este trabalho descreve a utilização de um software livre educacional do interferômetro de Mach-Zehnder (IMZ), em português, como instrumento motivador, ilustrativo, de fácil manuseio e compreensão, para ajudar no ensino e aprendizagem de Física. Salientamos que este software educacional foi desenvolvido através de um projeto coordenado pelas professoras Fernanda Ostermann e Flávia Rezende, do Instituto de Física da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS) e da Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ) e foi utilizado como principal instrumento para introduzir conceitos fundamentais de física quântica em uma disciplina do curso Mestrado Profissional de Ensino de Física. No entanto, podemos dizer que esta foi a primeira vez que o IMZ foi aplicado a uma turma de professores não ligados profissionalmente à UFRGS. Em acréscimo ao software, foram elaborados e remodelados como produtos educacionais, textos de apoio e guias experimentais que poderão ser usados tanto por professores, como por alunos do Ensino Médio. Fenômenos ondulatórios foi o assunto explorado e um de seus subtemas, a interferência da luz, foi bastante enfatizada. Colocamos à disposição dos professores um material didático de fácil interpretação, podendo, também, ser utilizado com alunos do Ensino Médio. O desenvolvimento desse material tem caráter estratégico para que sirva de base a futuras transposições de temas da física quântica, em particular, o fenômeno da dualidade onda-partícula, para este nível de ensino. Este material de apoio e o software compreendem um curso de quarenta horas, para um grupo de seis professores da rede estadual, mais especificamente para os professores que lecionam Física, nas escolas que representam a 6ª Coordenadoria Regional de Educação (6ª CRE), com o apoio da mesma. O curso aconteceu em 2006, na Escola Estadual de Ensino Médio “Ernesto Alves de Oliveira”, em Santa Cruz do Sul, RS. Embasado na Teoria de Aprendizagem Significativa de Ausubel, o material servirá, também, como base ou conhecimento prévio para futuras investidas em outros temas relacionados à física quântica. O conteúdo da teoria ondulatória da luz, trabalhado sobre o aparato do interferômetro virtual de Mach-Zehnder proporcionou a interação entre o conhecimento novo (física quântica e dualidade ondapartícula, desenvolvida sobre o interferômetro virtual de Mach-Zehnder no regime quântico) e o prévio (teoria ondulatória da luz desenvolvida sobre o interferômetro virtual de Mach- Zehnder clássico), possibilitando uma aprendizagem significativa e dando sentido às novas informações. No decorrer do curso, ao analisarmos o comportamento e as atitudes dos professores, pudemos perceber que este assunto não é trabalhado no Ensino Médio, e que eles apresentam dificuldades em relação aos conceitos fundamentais da teoria. Entretanto, parte do grupo mostrou interesse em obter novos conhecimentos, pois em todos os encontros havia questionamentos relacionando novos conceitos com os pré-existentes. Enfim, o software gerou visível entusiasmo com as novas possibilidades de aulas “práticas”, com a aprendizagem dos novos conceitos e também a proposta de se avaliar com a utilização de mapas conceituais, estratégia desenvolvida por Novak. / In this work it is shown how the utilization of a free educational software can be useful as a motivating and illustrative tool to help the teaching and understanding of fundamental concepts on quantum mechanics. Besides being available also in Portuguese, the virtual Mach-Zehnder Interferometer (MZI) is easy to handle. The software has been developed under a project coordinated by Professor Ostermann (UFRGS) and Professor Rezende (UFRJ) and has been used as a main tool to introduce students from Mestrado Profissional em Ensino de Física to fundamental concepts on quantum physics. Here, it is reported the first time the software was used in an environment that is not university. Concepts of quantum physics were discussed in a 40 hours course given to a group of six secondary level school teachers in 2006. They were teachers working under the 6ª Coordenadoria Regional de Educação (6ª CRE). The course took place in Santa Cruz do Sul (RS) at Escola Estadual de Ensino Médio “Ernesto Alves de Oliveira”. In order to help the students with the software itself and physical concepts that could help the understanding of the simulations results, supporting materials like helping texts and experimental guides were prepared based on Ausubel framework. We were also concerned about an educational product that could also be helpful to secondary level school students. The texts are available in an easy language and straightforward physics. Although the number of students were relatively small, the group was representative in the sense it reproduces the reality of public secondary schools in Brazil. Physics is not, in general, taught by people that are graduated in Licenciatura em Física and the ones that are, are in general, not very well prepared. It was clear that no one in the group had enough confidence “to touch” subjects related to quantum physics in classes having the excuse this is a very difficult topic to overcome. Using optical physics as basis and the virtual MZI, we could see some enthusiasm when the students realize it is possible, for example, to discuss some concepts related to wave-particle duality without unreachable mathematics.

Esta pesquisa foi realizada em um Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia e dedicou-se ao estudo de alguns conceitos de Física Quântica na formação de professores de Física, sob a perspectiva do referencial sociocultural, tendo o foco dirigido à complementaridade de segundo tipo, uma das teses da interpretação de Copenhagen, e ao emaranhamento quântico. O marco teóricometodológico adotado foi a teoria da mediação de Vygotsky e a filosofia translinguística de Bakhtin. Foram realizados três estudos qualitativos com o objetivo de investigar quais são os significados socialmente construídos sobre conceitos de Física Quântica por professores de Física em formação, sendo um estudo piloto e duas intervenções didáticas junto a uma disciplina de Física Moderna e Contemporânea em nível de graduação. As atividades de ensino foram conduzidas a partir de exposições teóricas e simulação computacional com o Interferômetro Virtual de Mach-Zehnder, orientada por roteiros exploratórios. A partir do estudo dos fenômenos da interferência e emaranhamento quânticos nesse dispositivo semiótico, buscou-se compreender em que medida as ações mediadas pelo uso do software como recurso didático atuaram no sentido de promover entre os professores uma construção conceitual colaborativa sobre esses conceitos da Física Quântica. A análise do discurso, fundamentada em conceitos bakhtinianos, possibilitou uma melhor compreensão sobre o processo de construção de conceitos culturalmente válidos acerca da interferência quântica, da complementaridade e do emaranhamento. No contexto explorado, verificamos que se estabeleceu o dilema da manutenção de visões antagônicas, o que pode ser evidenciado a partir dos modelos explicativos elaborados pelos estudantes. Para aqueles que atribuíram um caráter corpuscular aos fótons, os fenômenos intermediários permanecem como um conflito ainda não resolvido, enquanto para os demais a complementaridade onda-partícula passou a compor um nova classe de conceitos. A noção de não-localidade, necessária para compreender o emaranhamento quântico, não foi reconhecida pelos estudantes, evidenciando a forte presença de noções clássicas nos modelos explicativos utilizados na tentativa de obter uma explicação plausível para o fenômeno. / The research presented in this thesis was developed in a Federal Institute of Education, Science and Technology is directed to research about an approach of the some foundations of Quantum Physics in pre-service teachers’ training, based on the sociocultural perspective and this work focuses on the second kind of complementarity, one of the thesis of the Copenhagen interpretation, and the quantum entanglement. The theoretical and methodological framework adopted in this research is the Vygotsky’s theory of mediation and Bakhtin’s translinguistics philosophy. Three qualitative researches were performed in order to investigate which are the socially constructed meanings on QP foundations in the context of pre-service teachers’ training: one in an introductory course with physics teachers and two along a didactic intervention during a pre-service teachers’ training course on Modern and Contemporary Physics. The teaching activities were conducted mediated by theoretical lectures and computer simulation using the Virtual Mach- Zehnder Interferometer, conducted by the exploratory guide. From the study of interference phenomena and quantum entanglement in this semiotic tool, one tries to understand how the pupils actions are mediated by the software in the sense of promoting a collaborative conceptual construction among teachers about these foundations of QP. Discourse analysis grounded on Bakhtin’s concepts allowed us to evaluate the potentialities of the software and a better understanding of the process of conceptual construction that are culturally valid about quantum interference, complementarity and entanglement. In this context we perceive that was created the dilemma of maintaining competing visions, which can be evidenced from the explanatory models designed by the students. For the students that admitted a corpuscular character to photons so that intermediate phenomena remain as a unresolved cognitive conflict, while for others the wave - particle complementarity has became a new class of concepts. The non-locality notion, pre-requisite to understand the quantum entanglement, wasn’t learned by the students, demonstrating the strong presence of classical notions in explanatory models used to obtain a plausible explanation for the phenomenon.

Depuis plusieurs années, le volume de données échangé à travers le monde augmente sans cesse. Pour gérer cette large quantité d’information, des débits élevés de transmission de données sur de longues distances sont essentiels. Puisque les interconnections à base de cuivre ne peuvent pas suivre cette tendance, des systèmes de transmission optique rapides sont requis dans les centre de données. Dans ce contexte, la photonique sur silicium est considérée comme une solution pour obtenir des circuits photoniques intégrés à un coût réduit. Bien que cette technologie ait connu une croissance significative au cours de la dernière décennie, les transmetteurs actuels à haut débit de transmission sont principalement basés sur des sources laser externes. Par conséquent, l’objectif de ce travail de thèse était de concevoir et produire un transmetteur à haut débit de transmission de données pour la photonique sur silicium, doté d’une source laser intégrée.Ce transmetteur se compose d’un modulateur silicium de type Mach-Zehnder, co-intégré sur la même plaque avec un laser hybride III-V sur silicium à réseaux de Bragg distribués, dont la longueur d’onde d’émission peut être contrôlée électriquement autour de 1.3μm. La conception des différents éléments constituant à la fois le laser (coupleurs adiabatique entre le III-V et le silicium, miroirs de Bragg) et le modulateur (jonctions p-n, électrodes à ondes progressives) est détaillée, de même que leur fabrication. Pendant la caractérisation des transmetteurs, des taux de transmission de données jusqu’à 25Gb/s, pour des distances allant jusqu’à 10km ont été démontrés avec succès, avec la possibilité de contrôler la longueur d’onde jusqu’à 8.5nm. Par ailleurs, afin d’améliorer l’intégration de la source laser avec le circuit photonique sur silicium, une solution basée sur le dépôt à basse température (en-dessous de 400°C) d’une couche de silicium amorphe pendant la fabrication est aussi évaluée. Des tests sur une cavité laser à contre-réaction distribuée ont montré des performances au niveau de l’état de l’art (avec des puissances de sortie supérieures à 30mW), prouvant ainsi la viabilité de cette approche. / For several years, the volume of digital data exchanged across the world has increased relentlessly. To manage this large amount of information, high data transmission rates over long distances are essential. Since copper-based interconnections cannot follow this tendency, high-speed optical transmission systems are required in the data centers. In this context, silicon photonics is seen as a way to obtain fully integrated photonic circuits at an expected low cost. While this technology has experienced significant growth in the last decade, the high-speed transmitters demonstrated up to now are mostly based on external laser sources. Thus, the aim of this PhD thesis was to design and produce a high-speed silicon photonic transmitter with an integrated laser source.This transmitter is composed of a high-speed silicon Mach-Zehnder, co-integrated on the same wafer with a hybrid III-V on silicon distributed Bragg reflector laser, which emission wavelength can be electrically tuned in the 1.3μm wavelength region. The design of the various elements constituting both the laser (III-V to silicon adiabatic couplers, Bragg reflectors) and the modulator (p-n junctions, travelling-wave electrodes) is thoroughly detailed, as well as their fabrication. During the characterization of the transmitters, high-speed data transmission rates up to 25Gb/s, for distances up to 10km are successfully demonstrated, with the possibility to tune the operating wavelength up to 8.5nm. Additionally, in order to further improve the integration of the laser source with the silicon photonic circuit, a solution based on the low-temperature (below 400°C) deposition of an amorphous silicon layer during the fabrication process is also evaluated. Tests on a distributed feed-back laser structure have shown performances at the state-of-the-art level (with output powers above 30mW), thus establishing the viability of this approach.

Este trabalho descreve a utilização de um software livre educacional do interferômetro de Mach-Zehnder (IMZ), em português, como instrumento motivador, ilustrativo, de fácil manuseio e compreensão, para ajudar no ensino e aprendizagem de Física. Salientamos que este software educacional foi desenvolvido através de um projeto coordenado pelas professoras Fernanda Ostermann e Flávia Rezende, do Instituto de Física da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS) e da Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ) e foi utilizado como principal instrumento para introduzir conceitos fundamentais de física quântica em uma disciplina do curso Mestrado Profissional de Ensino de Física. No entanto, podemos dizer que esta foi a primeira vez que o IMZ foi aplicado a uma turma de professores não ligados profissionalmente à UFRGS. Em acréscimo ao software, foram elaborados e remodelados como produtos educacionais, textos de apoio e guias experimentais que poderão ser usados tanto por professores, como por alunos do Ensino Médio. Fenômenos ondulatórios foi o assunto explorado e um de seus subtemas, a interferência da luz, foi bastante enfatizada. Colocamos à disposição dos professores um material didático de fácil interpretação, podendo, também, ser utilizado com alunos do Ensino Médio. O desenvolvimento desse material tem caráter estratégico para que sirva de base a futuras transposições de temas da física quântica, em particular, o fenômeno da dualidade onda-partícula, para este nível de ensino. Este material de apoio e o software compreendem um curso de quarenta horas, para um grupo de seis professores da rede estadual, mais especificamente para os professores que lecionam Física, nas escolas que representam a 6ª Coordenadoria Regional de Educação (6ª CRE), com o apoio da mesma. O curso aconteceu em 2006, na Escola Estadual de Ensino Médio “Ernesto Alves de Oliveira”, em Santa Cruz do Sul, RS. Embasado na Teoria de Aprendizagem Significativa de Ausubel, o material servirá, também, como base ou conhecimento prévio para futuras investidas em outros temas relacionados à física quântica. O conteúdo da teoria ondulatória da luz, trabalhado sobre o aparato do interferômetro virtual de Mach-Zehnder proporcionou a interação entre o conhecimento novo (física quântica e dualidade ondapartícula, desenvolvida sobre o interferômetro virtual de Mach-Zehnder no regime quântico) e o prévio (teoria ondulatória da luz desenvolvida sobre o interferômetro virtual de Mach- Zehnder clássico), possibilitando uma aprendizagem significativa e dando sentido às novas informações. No decorrer do curso, ao analisarmos o comportamento e as atitudes dos professores, pudemos perceber que este assunto não é trabalhado no Ensino Médio, e que eles apresentam dificuldades em relação aos conceitos fundamentais da teoria. Entretanto, parte do grupo mostrou interesse em obter novos conhecimentos, pois em todos os encontros havia questionamentos relacionando novos conceitos com os pré-existentes. Enfim, o software gerou visível entusiasmo com as novas possibilidades de aulas “práticas”, com a aprendizagem dos novos conceitos e também a proposta de se avaliar com a utilização de mapas conceituais, estratégia desenvolvida por Novak. / In this work it is shown how the utilization of a free educational software can be useful as a motivating and illustrative tool to help the teaching and understanding of fundamental concepts on quantum mechanics. Besides being available also in Portuguese, the virtual Mach-Zehnder Interferometer (MZI) is easy to handle. The software has been developed under a project coordinated by Professor Ostermann (UFRGS) and Professor Rezende (UFRJ) and has been used as a main tool to introduce students from Mestrado Profissional em Ensino de Física to fundamental concepts on quantum physics. Here, it is reported the first time the software was used in an environment that is not university. Concepts of quantum physics were discussed in a 40 hours course given to a group of six secondary level school teachers in 2006. They were teachers working under the 6ª Coordenadoria Regional de Educação (6ª CRE). The course took place in Santa Cruz do Sul (RS) at Escola Estadual de Ensino Médio “Ernesto Alves de Oliveira”. In order to help the students with the software itself and physical concepts that could help the understanding of the simulations results, supporting materials like helping texts and experimental guides were prepared based on Ausubel framework. We were also concerned about an educational product that could also be helpful to secondary level school students. The texts are available in an easy language and straightforward physics. Although the number of students were relatively small, the group was representative in the sense it reproduces the reality of public secondary schools in Brazil. Physics is not, in general, taught by people that are graduated in Licenciatura em Física and the ones that are, are in general, not very well prepared. It was clear that no one in the group had enough confidence “to touch” subjects related to quantum physics in classes having the excuse this is a very difficult topic to overcome. Using optical physics as basis and the virtual MZI, we could see some enthusiasm when the students realize it is possible, for example, to discuss some concepts related to wave-particle duality without unreachable mathematics.

Esta pesquisa foi realizada em um Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia e dedicou-se ao estudo de alguns conceitos de Física Quântica na formação de professores de Física, sob a perspectiva do referencial sociocultural, tendo o foco dirigido à complementaridade de segundo tipo, uma das teses da interpretação de Copenhagen, e ao emaranhamento quântico. O marco teóricometodológico adotado foi a teoria da mediação de Vygotsky e a filosofia translinguística de Bakhtin. Foram realizados três estudos qualitativos com o objetivo de investigar quais são os significados socialmente construídos sobre conceitos de Física Quântica por professores de Física em formação, sendo um estudo piloto e duas intervenções didáticas junto a uma disciplina de Física Moderna e Contemporânea em nível de graduação. As atividades de ensino foram conduzidas a partir de exposições teóricas e simulação computacional com o Interferômetro Virtual de Mach-Zehnder, orientada por roteiros exploratórios. A partir do estudo dos fenômenos da interferência e emaranhamento quânticos nesse dispositivo semiótico, buscou-se compreender em que medida as ações mediadas pelo uso do software como recurso didático atuaram no sentido de promover entre os professores uma construção conceitual colaborativa sobre esses conceitos da Física Quântica. A análise do discurso, fundamentada em conceitos bakhtinianos, possibilitou uma melhor compreensão sobre o processo de construção de conceitos culturalmente válidos acerca da interferência quântica, da complementaridade e do emaranhamento. No contexto explorado, verificamos que se estabeleceu o dilema da manutenção de visões antagônicas, o que pode ser evidenciado a partir dos modelos explicativos elaborados pelos estudantes. Para aqueles que atribuíram um caráter corpuscular aos fótons, os fenômenos intermediários permanecem como um conflito ainda não resolvido, enquanto para os demais a complementaridade onda-partícula passou a compor um nova classe de conceitos. A noção de não-localidade, necessária para compreender o emaranhamento quântico, não foi reconhecida pelos estudantes, evidenciando a forte presença de noções clássicas nos modelos explicativos utilizados na tentativa de obter uma explicação plausível para o fenômeno. / The research presented in this thesis was developed in a Federal Institute of Education, Science and Technology is directed to research about an approach of the some foundations of Quantum Physics in pre-service teachers’ training, based on the sociocultural perspective and this work focuses on the second kind of complementarity, one of the thesis of the Copenhagen interpretation, and the quantum entanglement. The theoretical and methodological framework adopted in this research is the Vygotsky’s theory of mediation and Bakhtin’s translinguistics philosophy. Three qualitative researches were performed in order to investigate which are the socially constructed meanings on QP foundations in the context of pre-service teachers’ training: one in an introductory course with physics teachers and two along a didactic intervention during a pre-service teachers’ training course on Modern and Contemporary Physics. The teaching activities were conducted mediated by theoretical lectures and computer simulation using the Virtual Mach- Zehnder Interferometer, conducted by the exploratory guide. From the study of interference phenomena and quantum entanglement in this semiotic tool, one tries to understand how the pupils actions are mediated by the software in the sense of promoting a collaborative conceptual construction among teachers about these foundations of QP. Discourse analysis grounded on Bakhtin’s concepts allowed us to evaluate the potentialities of the software and a better understanding of the process of conceptual construction that are culturally valid about quantum interference, complementarity and entanglement. In this context we perceive that was created the dilemma of maintaining competing visions, which can be evidenced from the explanatory models designed by the students. For the students that admitted a corpuscular character to photons so that intermediate phenomena remain as a unresolved cognitive conflict, while for others the wave - particle complementarity has became a new class of concepts. The non-locality notion, pre-requisite to understand the quantum entanglement, wasn’t learned by the students, demonstrating the strong presence of classical notions in explanatory models used to obtain a plausible explanation for the phenomenon.

Este trabalho relata a produção, implementação e avaliação de um curso sobre física quântica destinado a alunos do Ensino Médio. A unidade didática foi inspirada nas propostas de Ostermann et al. (2009) e Pessoa Jr. (1997, 2003). Ela introduz a física quântica considerando a óptica ondulatória como um contexto para introduzir algumas analogias conceituais básicas para conceitos fundamentais da física quântica. O conceito central desta abordagem é a dualidade onda-partícula e o Interferômetro Virtual de Mach-Zehnder (IVMZ) é utilizado como sua ferramenta didática principal ou, em termos vygotskyanos, ferramenta de mediação. A proposta foi aplicada no formato de uma oficina extracurricular em uma escola privada de Porto Alegre no Brasil. Um dos professores de Física da escola se engajou e colaborou com este projeto. As aulas ocorreram entre os meses de Outubro e Novembro de 2013, em encontros semanais de uma hora. A perspectiva sociocultural de Vygotsky foi utilizada para embasar as aulas do curso. A translinguística de Bakhtin e os conceitos vygotskyanos foram utilizados para a análise das falas dos estudantes durante as atividades do curso. Nesta perspectiva analítica buscamos compreender como os estudantes elaboram estratégias discursivas para entender o conceito de dualidade onda-partícula, analisando a importância das interações com parceiros mais capazes (como professores), textos, simulações e outras ferramentas didáticas. Os resultados indicam que os estudantes desenvolveram algum domínio das ferramentas mediacionais necessárias para compreender a dualidade onda-partícula em um nível satisfatório. O Interferômetro Virtual de Mach-Zehnder, os roteiros exploratórios e os professores mostraram-se importantes para tornar mais efetivas as experiências de aprendizagem dos estudantes. / This dissertation reports the development, implementation and evaluation of a quantum physics course directed to high school students. The course was conceived inspired in proposals of Ostermann et al. (2009) and Pessoa Jr. (1997, 2003). It introduces quantum physics considering wave optics as a context to introduce some basic conceptual analogies to quantum fundamental concepts. The core concept of this approach is the wave-particle duality and the Virtual Mach-Zehnder Interferometer (VMZI) is used as its main didactical tool or, in vygotskyan terms, a mediational tool. The course was applied as an extracurricular workshop in a private school from Porto Alegre, Brazil. One of the school´s Physics teacher collaborated and engaged in this project. The classes took place between October and November 2013, in a set of one-hour weekly meetings. Vygotsky´s sociocultural perspective is adopted to ground the practices of the course. Both Bakhtin´s translinguistics and Vygotsky’s concepts were used to perform the analysis of students’ utterances along didactical activities at the classes. In this analytical framework, we try to understand how students elaborate discursive strategies to understand the concept of wave-particle duality, analyzing the importance of interaction with more experienced peers (like teachers), texts, simulation and other teaching tools. The results indicate that the students developed some mastery of mediational means needed to understand the wave-particle duality at a satisfactory level. The Virtual Mach-Zehnder Interferometer, the exploratory guides and the teachers were important to enhance the students’ learning experiences.

En premier lieu, des couches minces épitaxiales ont été obtenues sur des substrats de silicium grâce à l’utilisation de l’épitaxie par jets moléculaire et de couches tampons de titanate de strontium SrTiO3. Une technique de croissance par co-déposition a été développée de manière à obtenir un rapport Ba:Ti proche de la stoechiométrie, et ce afin d’éviter la formation de défauts cristallins dans la couche de BaTiO3. Le matériau déposé cristallise dans une structure de symétrie quadratique, ce qui est unpré-requis pour l’obtention de propriétés électro-optiques. De plus, selon les conditions de croissance, l’axe c de la maille élémentaire quadratique a pu être ajusté de manière à être aligné parallèlement ou perpendiculairement à la surface du substrat. L’utilisation d’une mince couche tampon de nucléation a également permis de croitre des films mincesBaTiO3 épitaxiées par pulvérisation, technique largement répandue en milieu industriel.Un coefficient de Pockels élevé a par la suite été obtenu sur de tellescouches épitaxiées. La valeur mesurée de 148pmV est clairement supérieure aux valeurs admises dans la littérature pour d’autres matériaux nonlinéairestels que le niobate de lithium, pour lequel un coefficient de31pmV est rapporté. La méthode de caractérisation électro-optique développée à cette occasion révèle également le caractère ferroélectrique des couches de BaTiO3, observé pour la première fois dans de tels matériaux épitaxiés sur silicium.Finalement, ces couches minces électro-optiquement actives ont été intégrées dans des dispositifs photoniques sur silicium. Dans cette optique,une structure de guide d’onde à fente a été utilisée en insérant 50nm deBaTiO3 entre deux couches de silicium. Dans ce type de structure, le confine mentoptique est 5 fois supérieur à celui obtenu pour des guides d’onde en silicium avec une gaine à base de BaTiO3. Des guides d’ondes rectilignesont tout d’abord été fabriqués, pour lesquels des pertes optiques del’ordre de 50−100 dB/cm ont été mesurées. Par la suite, des composants passifs fonctionnels ont été fabriqués, tels que des interféromètres typeMach-Zehnder, des résonateurs circulaires et des coupleurs. Finalement,la fonctionnalité de composants actifs a été démontrée pour la première fois, en se basant notamment sur des résonateurs ayant un facteur de qualité Q d’environ 5000, et pour lequel la résonance varie en fonction du champ électrique transverse. L’origine physique de cette variation n’a cependant pas pu être expliquée sur la seule base de l’effet Pockels. Cette thèse démontre que l’utilisation de nouveaux matériaux électro optiquement actifs au coeur de dispositifs photoniques sur silicium créede nouvelles opportunités pour la conception et l’ingénierie de circuitsphotoniques. L’intégration d’oxydes tels que barium titanate permet d’envisager de nouveaux concepts de dispositifs pour ajuster, moduler ou commuter la lumière au sein de circuits photoniques denses. De nouveaux défis et perspectives s’ouvrent également aux scientifiques pour modifier artificiellement les propriétés électro-optiques de ces matériaux, que ce soit par contrainte, dopage ou par l’ingénierie de multicouches. De telles avancées pourront sans aucun doute fortement améliorer les performances des dispositifs. / A novel concept of utilizing electro-optical active oxides in silicon photonic devices is developed and realized in the frame of this thesis. The integration of such oxides extends the silicon photonics platform by non-linear materials, which can be used for ultra-fast switching or low-power tuning applications. Barium titanate is used as active material as it shows one of the strongest Pockels coefficients among all oxides. Three major goals are achieved throughout this work: First, thin films of BaTiO3 are epitaxially grown on silicon substrates via molecular beam epitaxy (MBE) using thin SrTiO3 buffer layers. A shuttered co-deposition growth technique is developed in order to minimize the formation of defects in the BaTiO3 films by achieving a 1:1 stoichiometry between barium and titanium. The layers show a tetragonal symmetry and are therefore well-suited for electro-optical applications. The orientation of the long c -axis of the BaTiO3 crystal can be tuned to point perpendicular or parallel to the film surface, depending on the growth conditions. In addition, thin MBE-grown seed layers are combined with rf-sputter deposition. With this hybrid growth approach, rather thick ( > 100 nm), epitaxial BaTiO3 layers on silicon substrates are obtained with a commercially available, wide spread deposition technique. As a second goal, a strong Pockels coefficient of reff = 148 pm/V is determined in the epitaxial BaTiO3 films. This first experimental result on the electro-optical activity of BaTiO3 layers on silicon shows a clear enhancement compared to alternative non-linear materials such as lithium niobate with reff = 31 pm/V. By means of the electro-optical characterization method, also the presence of ferroelectricity in the films is demonstrated. Third, the electro-optical active BaTiO3 layers are embedded into silicon photonic devices. For this purpose, a horizontal slot-waveguide structure with a ~50 nm-thick BaTiO3 film sandwiched between two silicon layers is designed. With this design, the optical confinement in the active BaTiO3 layer is enhanced by a factor of 5 compared to Si-waveguide structures with a standard cross section and BaTiO3 as cladding. Straight BaTiO3 slot-waveguides with propagation losses of 50 − 100 dB/cm as well as functional passive devices such as Mach-Zehnder-interferometers, couplers, and ring resonators are experimentally realized. Additionally, first active ring resonators with Q-factors of Q~5000 are fabricated. The physical origin of the observed resonance shift as a function of the applied bias voltage, however, can not be conclusively clarified in the present work. The combination of high-quality, functional BaTiO3 layers with silicon photonic devices as demonstrated in this thesis offers new opportunities by extending the design palette for engineering photonic circuits with the class of electro-opticalactive materials. The integration of oxides such as BaTiO3 enables novel device concepts for tuning, switching, and modulating light in extremely dense photonic circuits. The integration also opens exciting challenges for material scientists to tailor the electro-optical properties of those oxides by strain engineering or fabrication of superlattice structures, which could ultimately lead to another boost of their electro-optical properties.

Este trabalho relata a produção, implementação e avaliação de um curso sobre física quântica destinado a alunos do Ensino Médio. A unidade didática foi inspirada nas propostas de Ostermann et al. (2009) e Pessoa Jr. (1997, 2003). Ela introduz a física quântica considerando a óptica ondulatória como um contexto para introduzir algumas analogias conceituais básicas para conceitos fundamentais da física quântica. O conceito central desta abordagem é a dualidade onda-partícula e o Interferômetro Virtual de Mach-Zehnder (IVMZ) é utilizado como sua ferramenta didática principal ou, em termos vygotskyanos, ferramenta de mediação. A proposta foi aplicada no formato de uma oficina extracurricular em uma escola privada de Porto Alegre no Brasil. Um dos professores de Física da escola se engajou e colaborou com este projeto. As aulas ocorreram entre os meses de Outubro e Novembro de 2013, em encontros semanais de uma hora. A perspectiva sociocultural de Vygotsky foi utilizada para embasar as aulas do curso. A translinguística de Bakhtin e os conceitos vygotskyanos foram utilizados para a análise das falas dos estudantes durante as atividades do curso. Nesta perspectiva analítica buscamos compreender como os estudantes elaboram estratégias discursivas para entender o conceito de dualidade onda-partícula, analisando a importância das interações com parceiros mais capazes (como professores), textos, simulações e outras ferramentas didáticas. Os resultados indicam que os estudantes desenvolveram algum domínio das ferramentas mediacionais necessárias para compreender a dualidade onda-partícula em um nível satisfatório. O Interferômetro Virtual de Mach-Zehnder, os roteiros exploratórios e os professores mostraram-se importantes para tornar mais efetivas as experiências de aprendizagem dos estudantes. / This dissertation reports the development, implementation and evaluation of a quantum physics course directed to high school students. The course was conceived inspired in proposals of Ostermann et al. (2009) and Pessoa Jr. (1997, 2003). It introduces quantum physics considering wave optics as a context to introduce some basic conceptual analogies to quantum fundamental concepts. The core concept of this approach is the wave-particle duality and the Virtual Mach-Zehnder Interferometer (VMZI) is used as its main didactical tool or, in vygotskyan terms, a mediational tool. The course was applied as an extracurricular workshop in a private school from Porto Alegre, Brazil. One of the school´s Physics teacher collaborated and engaged in this project. The classes took place between October and November 2013, in a set of one-hour weekly meetings. Vygotsky´s sociocultural perspective is adopted to ground the practices of the course. Both Bakhtin´s translinguistics and Vygotsky’s concepts were used to perform the analysis of students’ utterances along didactical activities at the classes. In this analytical framework, we try to understand how students elaborate discursive strategies to understand the concept of wave-particle duality, analyzing the importance of interaction with more experienced peers (like teachers), texts, simulation and other teaching tools. The results indicate that the students developed some mastery of mediational means needed to understand the wave-particle duality at a satisfactory level. The Virtual Mach-Zehnder Interferometer, the exploratory guides and the teachers were important to enhance the students’ learning experiences.

Este trabalho descreve a utilização de um software livre educacional do interferômetro de Mach-Zehnder (IMZ), em português, como instrumento motivador, ilustrativo, de fácil manuseio e compreensão, para ajudar no ensino e aprendizagem de Física. Salientamos que este software educacional foi desenvolvido através de um projeto coordenado pelas professoras Fernanda Ostermann e Flávia Rezende, do Instituto de Física da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS) e da Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ) e foi utilizado como principal instrumento para introduzir conceitos fundamentais de física quântica em uma disciplina do curso Mestrado Profissional de Ensino de Física. No entanto, podemos dizer que esta foi a primeira vez que o IMZ foi aplicado a uma turma de professores não ligados profissionalmente à UFRGS. Em acréscimo ao software, foram elaborados e remodelados como produtos educacionais, textos de apoio e guias experimentais que poderão ser usados tanto por professores, como por alunos do Ensino Médio. Fenômenos ondulatórios foi o assunto explorado e um de seus subtemas, a interferência da luz, foi bastante enfatizada. Colocamos à disposição dos professores um material didático de fácil interpretação, podendo, também, ser utilizado com alunos do Ensino Médio. O desenvolvimento desse material tem caráter estratégico para que sirva de base a futuras transposições de temas da física quântica, em particular, o fenômeno da dualidade onda-partícula, para este nível de ensino. Este material de apoio e o software compreendem um curso de quarenta horas, para um grupo de seis professores da rede estadual, mais especificamente para os professores que lecionam Física, nas escolas que representam a 6ª Coordenadoria Regional de Educação (6ª CRE), com o apoio da mesma. O curso aconteceu em 2006, na Escola Estadual de Ensino Médio “Ernesto Alves de Oliveira”, em Santa Cruz do Sul, RS. Embasado na Teoria de Aprendizagem Significativa de Ausubel, o material servirá, também, como base ou conhecimento prévio para futuras investidas em outros temas relacionados à física quântica. O conteúdo da teoria ondulatória da luz, trabalhado sobre o aparato do interferômetro virtual de Mach-Zehnder proporcionou a interação entre o conhecimento novo (física quântica e dualidade ondapartícula, desenvolvida sobre o interferômetro virtual de Mach-Zehnder no regime quântico) e o prévio (teoria ondulatória da luz desenvolvida sobre o interferômetro virtual de Mach- Zehnder clássico), possibilitando uma aprendizagem significativa e dando sentido às novas informações. No decorrer do curso, ao analisarmos o comportamento e as atitudes dos professores, pudemos perceber que este assunto não é trabalhado no Ensino Médio, e que eles apresentam dificuldades em relação aos conceitos fundamentais da teoria. Entretanto, parte do grupo mostrou interesse em obter novos conhecimentos, pois em todos os encontros havia questionamentos relacionando novos conceitos com os pré-existentes. Enfim, o software gerou visível entusiasmo com as novas possibilidades de aulas “práticas”, com a aprendizagem dos novos conceitos e também a proposta de se avaliar com a utilização de mapas conceituais, estratégia desenvolvida por Novak. / In this work it is shown how the utilization of a free educational software can be useful as a motivating and illustrative tool to help the teaching and understanding of fundamental concepts on quantum mechanics. Besides being available also in Portuguese, the virtual Mach-Zehnder Interferometer (MZI) is easy to handle. The software has been developed under a project coordinated by Professor Ostermann (UFRGS) and Professor Rezende (UFRJ) and has been used as a main tool to introduce students from Mestrado Profissional em Ensino de Física to fundamental concepts on quantum physics. Here, it is reported the first time the software was used in an environment that is not university. Concepts of quantum physics were discussed in a 40 hours course given to a group of six secondary level school teachers in 2006. They were teachers working under the 6ª Coordenadoria Regional de Educação (6ª CRE). The course took place in Santa Cruz do Sul (RS) at Escola Estadual de Ensino Médio “Ernesto Alves de Oliveira”. In order to help the students with the software itself and physical concepts that could help the understanding of the simulations results, supporting materials like helping texts and experimental guides were prepared based on Ausubel framework. We were also concerned about an educational product that could also be helpful to secondary level school students. The texts are available in an easy language and straightforward physics. Although the number of students were relatively small, the group was representative in the sense it reproduces the reality of public secondary schools in Brazil. Physics is not, in general, taught by people that are graduated in Licenciatura em Física and the ones that are, are in general, not very well prepared. It was clear that no one in the group had enough confidence “to touch” subjects related to quantum physics in classes having the excuse this is a very difficult topic to overcome. Using optical physics as basis and the virtual MZI, we could see some enthusiasm when the students realize it is possible, for example, to discuss some concepts related to wave-particle duality without unreachable mathematics.

Esta pesquisa foi realizada em um Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia e dedicou-se ao estudo de alguns conceitos de Física Quântica na formação de professores de Física, sob a perspectiva do referencial sociocultural, tendo o foco dirigido à complementaridade de segundo tipo, uma das teses da interpretação de Copenhagen, e ao emaranhamento quântico. O marco teóricometodológico adotado foi a teoria da mediação de Vygotsky e a filosofia translinguística de Bakhtin. Foram realizados três estudos qualitativos com o objetivo de investigar quais são os significados socialmente construídos sobre conceitos de Física Quântica por professores de Física em formação, sendo um estudo piloto e duas intervenções didáticas junto a uma disciplina de Física Moderna e Contemporânea em nível de graduação. As atividades de ensino foram conduzidas a partir de exposições teóricas e simulação computacional com o Interferômetro Virtual de Mach-Zehnder, orientada por roteiros exploratórios. A partir do estudo dos fenômenos da interferência e emaranhamento quânticos nesse dispositivo semiótico, buscou-se compreender em que medida as ações mediadas pelo uso do software como recurso didático atuaram no sentido de promover entre os professores uma construção conceitual colaborativa sobre esses conceitos da Física Quântica. A análise do discurso, fundamentada em conceitos bakhtinianos, possibilitou uma melhor compreensão sobre o processo de construção de conceitos culturalmente válidos acerca da interferência quântica, da complementaridade e do emaranhamento. No contexto explorado, verificamos que se estabeleceu o dilema da manutenção de visões antagônicas, o que pode ser evidenciado a partir dos modelos explicativos elaborados pelos estudantes. Para aqueles que atribuíram um caráter corpuscular aos fótons, os fenômenos intermediários permanecem como um conflito ainda não resolvido, enquanto para os demais a complementaridade onda-partícula passou a compor um nova classe de conceitos. A noção de não-localidade, necessária para compreender o emaranhamento quântico, não foi reconhecida pelos estudantes, evidenciando a forte presença de noções clássicas nos modelos explicativos utilizados na tentativa de obter uma explicação plausível para o fenômeno. / The research presented in this thesis was developed in a Federal Institute of Education, Science and Technology is directed to research about an approach of the some foundations of Quantum Physics in pre-service teachers’ training, based on the sociocultural perspective and this work focuses on the second kind of complementarity, one of the thesis of the Copenhagen interpretation, and the quantum entanglement. The theoretical and methodological framework adopted in this research is the Vygotsky’s theory of mediation and Bakhtin’s translinguistics philosophy. Three qualitative researches were performed in order to investigate which are the socially constructed meanings on QP foundations in the context of pre-service teachers’ training: one in an introductory course with physics teachers and two along a didactic intervention during a pre-service teachers’ training course on Modern and Contemporary Physics. The teaching activities were conducted mediated by theoretical lectures and computer simulation using the Virtual Mach- Zehnder Interferometer, conducted by the exploratory guide. From the study of interference phenomena and quantum entanglement in this semiotic tool, one tries to understand how the pupils actions are mediated by the software in the sense of promoting a collaborative conceptual construction among teachers about these foundations of QP. Discourse analysis grounded on Bakhtin’s concepts allowed us to evaluate the potentialities of the software and a better understanding of the process of conceptual construction that are culturally valid about quantum interference, complementarity and entanglement. In this context we perceive that was created the dilemma of maintaining competing visions, which can be evidenced from the explanatory models designed by the students. For the students that admitted a corpuscular character to photons so that intermediate phenomena remain as a unresolved cognitive conflict, while for others the wave - particle complementarity has became a new class of concepts. The non-locality notion, pre-requisite to understand the quantum entanglement, wasn’t learned by the students, demonstrating the strong presence of classical notions in explanatory models used to obtain a plausible explanation for the phenomenon.