Processos biológicos e efeitos quânticos parecem ocupar realidades diferentes uma vez que os organismos são constantemente sujeitos a ruídos introduzidos pelo meio. Esses ruídos tendem a destruir a coerência quântica fazendo com que processos clássicos dominem a dinâmica do sistema. Porém, recentemente, com a descoberta da ocorrência de processos coerentes no transporte de excitações em complexos fotossintéticos, a área denominada como Biologia Quântica começou a receber mais atenção. O mais intrigante é que, nesses complexos fotossintéticos, dependendo da combinação do ruído do meio com o processo coerente, um aumento na eficiência do transporte poderá ser observada. Com esses resultados, questões fundamentais como a de que sistemas biológicos poderiam tirar vantagens da Mecânica Quântica surgem naturalmente. Nesse estudo, analisamos se o tunelamento coerente poderia explicar a alta eficiência observada em um canal iônico de potássio. Plenio e colaboradores [1] argumentaram que o tunelamento coerente e o ruído dephasing pode explicar a alta taxa de transporte nos canais iônicos. Discutimos também se o mesmo ocorre com o ruído térmico. Baseando-se nas hipóteses feitas por Plenio [1], analisamos o efeito do ruído térmico concluindo que o mesmo pode melhorar a condutividade, mas também pode impor restrições, uma vez que o tempo de coerência diminui severamente. / Quantum e ects and biological processes seem to occupy di erent realms, given that organisms are constantly subjected to noise from the environment. Noise processes tend to destroy the coherence of the system, hence classical processes are expected to dominate the dynamics. Nevertheless, with the recent discovery that coherent processes occur in the excitation energy transport in photosynthetic complexes, the area known as Quantum Biology started receiving special attention. The most interesting point here is that in these photosynthetic complexes the right interplay between noise and quantum coherence seems to improve transport e ciency. In this dissertation we investigate whether coherent tunneling could explain the high e ciency observed in ion channels. It has been argued by Plenio et al [1] that coherent tunneling and dephasing noise can explain the high conductance in ionic channels. We have analyzed whether the same occurs when thermal noise are also taken into account. Based on Plenio et al [1] assumptions, we have analysed the e ect of thermal noise to conclude that it can improve conductivity but can also impose restrictions since the coherence time is severely diminished.

Através da técnica do Grupo de Renormalização desenvolvida por Wilson em 1915, calcula-se o espectro de fotoemissão de elétrons (XPS) de um sistema constituído de dois níveis profundos separados pela distância R, acoplados entre si e adsorvidos num metal. A simetria de inversão desse sistema permite que se definam dois espectros de correntes, dos elétrons fotoemitidos do orbitalligante e do anti-ligante do adsorvido, respectivamente. Próximo ao limiar de fotoemissão (ωT) esses espectros seguem lei de potência; os expoentes correspondentes são determinados e expressos (com leis universais) em termos das defasagens dos elétrons de condução. Se a separação R entre os sítios for nula, o espectro associado ao orbital ligante terá uma singularidade em ω - ωT = Δ, onde Δ é a taxa de tunelamento eletrônico entre os níveis profundos. Com o aumento dessa separação a singularidade é arrendondada em razão de decaimentos não radiativos envolvendo os orbitais profundos, o que dá um tempo de vida finito ao buraco criado pelo raio-x. Este trabalho calcula pela primeira vez a renormalização da taxa de tunelamento, devido aos processos não radiativos. / The Renormalization Group technique developed by Wilson in 1975 is used to calculate photoemission spectra (XPS) for a dimer adsorbed on a metal; our model for this system comprises two deep levels, separated by a distance R, coupled to each other, and interacting electrostatically with the sorbate. The inversion symmetry is used to define two electronics currents, coming from the bonding and anti-bonding orbitals of the dimer, respectively. Near threshold each spectrum follow a power law; the exponents are calculated and expressed (by universal laws) in terms of the phase shifts of the conduction electrons. If the distance R between the levels is zero, the spectrum associated to the bonding orbital has a singularity at ω - ωT = Δ, where Δ is the electronic tunneling rate between the deep levels. For increasing R, the singularity is smoothed out, due to the non-radiative decay of an electron from the anti-bonding to the bonding orbital, which makes finite the lifetime of the hole created by the x-ray. This work presents the first accurate calculation of the renormalization of the tunneling rate by this non-radiative decay.

Esta dissertação descreve o movimento quântico de uma partícula numa barreira de potencial parabólica, condicionalmente este sistema é chamado de oscilador invertido. Determinamos estados quânticos semiclássicos como família de estados coerentes generalizados (ECG), sendo construídos através da adaptação do trabalho de Malkin e Man´ko, determinando-se um operador que seja integral do movimento, parametrizado por algumas constantes e reconhecido como operador de aniquilação, cujos auto-estados tem características dos estados comprimidos. Discutimos suas propriedades e observamos que é possível comparar ECG do oscilador invertido com ECG da partícula livre e oscilador harmônico obtidos na literatura. Também é feito um estudo do movimento puramente quântico (tunelamento) nas barreiras de potenciais do oscilador invertido e oscilador invertido truncado, por meio das soluções estacionárias exatas e aproximadas (JWKB), comparando os resultados obtidos em cada situação. / This dissertation describes the motion of a particle in a quantum potential barrier parabolic, this system is conditionally called inverted oscillator. Determined quantum states semi-classics like family generalized coherent states (GCS), being constructed by adapting work Malkin\'s and Man\'ko, determining an operator who is integral of the motion, parameterized for some constants and recognized as annihilation operator, whose eigenstates have characteristics of squeezed states. We discuss its properties and note that it is possible to compare the GCS of inverted oscillator with GCS the particle free and harmonic oscillator obtained in the literature. Also made a study of the movement purely quantum (tunneling) in the barriers potential inverted oscillator and truncated inverted oscillator by means of exact and approximate stationary solutions (JWKB), comparing the results obtained in each situation.

Orientador: Amir Ordacgi Caldeira / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-19T09:51:01Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Paula_FagnerMurucide_D.pdf: 4858080 bytes, checksum: a43c455fc79aac38fc3e9bd9d81abe32 (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: Por muitas décadas, fenômenos quânticos foram observados com partículas microscópicas, tais como átomos, elétrons e fótons. No entanto, avanços na fabricação e controle de sistemas físicos com dimensões extremamente reduzidas vêm permitindo a manifestação de eventos quânticos em proporções gigantescas. Por exemplo, existem evidências de superposições quânticas com uma supercorrente composta por bilhões de elétrons num SQUID (Superconducting Quantum Interference Device). Motivados por tais evidências, nosso objetivo reside na busca de novos dispositivos capazes de exibir efeitos quânticos macroscópicos. Em particular, estamos interessados em sistemas ferromagnéticos que manifestem CQM (Coerência Quântica Macroscópica), isto é, ferromagnetos nos quais o campo de magnetização tunela periodicamente no tempo entre dois estados topologicamente distintos e degenerados. Nesta tese, sugerimos dois dispositivos: um ?o ferromagnético no qual uma parede de domínio tunela entre dois centros de aprisionamento arti?ciais; e um MQUID (Magnetic Quantum Interference Device), isto é, um análogo magnético do SQUID que permite efeitos de tunelamento com uma ¿supercorrente¿ formada por vórtices de spin. Esses dispositivos são úteis não só na exploração dos limites de validade da mecânica quântica, mas também abrem novas possibilidades de implementação de um bit quântico / Abstract: For many decades, quantum phenomena were observed with microscopic particles, such as atoms, electrons and photons. However, advancements in manufacture and control of physics systems with very small dimensions have allowed verifying quantum events in large proportions. For instance, there are evidences of quantum superposition with a supercurrent formed by billions of electrons on a SQUID (Superconducting Quantum Interference Device). Such evidences have driven our work in a way to investigate new devices that are capable to exhibit macroscopic quantum effects. In particular, we are interested in ferromagnetic systems that present MQC (Macroscopic Quantum Coherence), in other words, ferromagnets in which the magnetization ?eld tunnels periodically in time between two distinct and degenerate topological states. In this thesis, we have suggested two devices: a ferromagnetic wire in which a domain wall tunnels between two arti?cial pinning centers; and a MQUID (Magnetic Quantum Interference Device) that is a magnetic device analogous to SQUID that permit quantum tunneling effects with a supercurrent formed by spin vortices. These devices are useful to explore the limits of validity of quantum mechanics, as well they open new possibilities to put into operation a quantum bit / Doutorado / Física / Doutor em Ciências

Orientador: Elso Drigo Filho / Banca: Fernando Alves de Melo / Banca: Glaucia Rosângela Peglow Borges de Castro / Resumo: Neste trabalho foram resolvidos, através da Equação de Schrödinger Independente do tempo, o potencial biestável para um sistema de dois níveis do Poço Duplo Quadrado Unidimensional Simétrico, de forma exata e por métodos aproximativos. Também é apresentada a solução da equação radial para o potencial coulombiano usando um formalismo de operadores escada, através dos conceitos de supersimetria em mecânica quântica e shape invariance. O tunelamento em um potencial biestável é proporcional à diferença entre os dois níveis de energia mais baixos. O presente estudo mostra os resultados dessa diferença obtida para três abordagens distintas para o poço quadrado biestável analisado. Os primeiros resultados são obtidos por uma solução analítica para a Equação de Schrödinger Independente do tempo. Uma combinação linear das autofunções do estado fundamental dos poços individuais é usada também é usada, juntamente com o método variacional em uma segunda abordagem. Outra abordagem usada é a aproximação WKB. A solução radial do problema coulombiano quântico é determinada de forma exata/analítica através dos operadores de criação e destruição / Abstract: In this work, the bistable potential, through the time independent Schrödinger equation, was solved for a two-level system of the symmetrical one-dimensional double square well and by approximate methods. We also present the solution of the radial equation for the coulombian potential using a ladder operator formalism through the concepts of quantum mechanical supersymmetry and shape invariance. Tunneling at bistable potential is proportional to the difference between the two lowest energy levels. This paper shows the results of this difference obtained for three different approaches to the bistable square well analyzed. The first results are obtained by an analytical solution for the time independent Schrödinger equation. A linear combination of the ground state autofunctions of the individual wells is used together with the variational method in a second approach. Another approach used is the WKB approach. The radial solution of the quantum coulombian problem is determined exactly / analytically through the creation and destruction operators / Mestre

Neste trabalho apresentamos uma análise de possíveis processos de tunelamento em sistemas unidimensionais através do estudo do potencial de barreira dupla com região intermediária confinante, conseguimos verificar a existência de um processo de tunelamento que ocorre através da ocupação virtual da região intermediária. Uma modelagem deste fenômeno é proposta baseando-se em uma teoria perturbativa realizada em termos de estados \"quase-localizados\" da partícula. Além da descrição qualitativa do fenômeno, determinamos as condições físicas para que este processo de tunelamento, também chamado de cotunelamento ou tunelamento de ordem superior, ocorra. Como resultado, recuperamos com boa aproximação o coeficiente de transmissão exato do sistema escolhido. Por fim, um outro resultado obtido durante o desenvolvimento deste trabalho foi uma prova conclusiva da convergência do método de diferenças finitas FDTD aplicada à equação de Schrödinger. Esta prova, diferente das demais encontradas na literatura, conseguiu demonstrar de maneira conclusiva a inclusão do limite superior para o passo temporal, de maneira a assegurar a convergência das soluções numéricas, algo até então testado numericamente, mas sem uma prova rigorosa da sua validade. / In this work, we present a study about tunnelling processes occurring in one-dimensional systems. Choosing a double well potential with a confining region as a case study, we verified that there is a tunnelling process which is due to virtual occupation of the confining region. Using perturbative theory of quasi-localized states to describe the particles dynamics, we provide a qualitative description of the phenomenon of tunnelling through virtual occupation, and we are capable of determining the conditions for which such a tunneling (also known as cotunnelling or high-order tunneling) should be present. With this analysis we could calculate with good approximation the particle transmission coefficient through the barrier. Finally, we also provide a rigorous proof of the convergence conditions for the numerical calculation of the Schrödinger equation using the finite difference method.

Neste trabalho apresentamos uma análise de possíveis processos de tunelamento em sistemas unidimensionais através do estudo do potencial de barreira dupla com região intermediária confinante, conseguimos verificar a existência de um processo de tunelamento que ocorre através da ocupação virtual da região intermediária. Uma modelagem deste fenômeno é proposta baseando-se em uma teoria perturbativa realizada em termos de estados \"quase-localizados\" da partícula. Além da descrição qualitativa do fenômeno, determinamos as condições físicas para que este processo de tunelamento, também chamado de cotunelamento ou tunelamento de ordem superior, ocorra. Como resultado, recuperamos com boa aproximação o coeficiente de transmissão exato do sistema escolhido. Por fim, um outro resultado obtido durante o desenvolvimento deste trabalho foi uma prova conclusiva da convergência do método de diferenças finitas FDTD aplicada à equação de Schrödinger. Esta prova, diferente das demais encontradas na literatura, conseguiu demonstrar de maneira conclusiva a inclusão do limite superior para o passo temporal, de maneira a assegurar a convergência das soluções numéricas, algo até então testado numericamente, mas sem uma prova rigorosa da sua validade. / In this work, we present a study about tunnelling processes occurring in one-dimensional systems. Choosing a double well potential with a confining region as a case study, we verified that there is a tunnelling process which is due to virtual occupation of the confining region. Using perturbative theory of quasi-localized states to describe the particles dynamics, we provide a qualitative description of the phenomenon of tunnelling through virtual occupation, and we are capable of determining the conditions for which such a tunneling (also known as cotunnelling or high-order tunneling) should be present. With this analysis we could calculate with good approximation the particle transmission coefficient through the barrier. Finally, we also provide a rigorous proof of the convergence conditions for the numerical calculation of the Schrödinger equation using the finite difference method.

Neste trabalho investigamos o tunelamento ressonante em estruturas de dupla barreira GaAs/(AlGa)As que foram fabricadas em mesas quadradas de tamanho lateral mesoscópico e macroscópico (&#8764 10&#956m &#215 10&#956m). Uma camada tipo &#948 com diferentes concentrações de Silício foi incorporada no centro do poço quântico. As características I(V) mostram algumas estruturas em posição de voltagem abaixo do pico de ressonância principal que são atribuídas a estados relacionados a impurezas. Tais estados localizados estão presentes no poço quântico com energias de ligação bem maiores do que um doador de Silício isolado. Estes estados de maior energia de ligação são atribuídos a pares de doadores distribuídos aleatoriamente. Em alguns dispositivos onde estados relacionados a impurezas podem ser identificados isoladamente na característica I(V), um efeito destacável pode ser observado. Um pica na característica I(V) aparece nas mais baixas temperaturas medidas (abaixo de 1K) quando o nível de Fermi no emissor se alinha com o estado localizado relacionado a impureza. Tal pico e atribuído a interação Coulombiana entre o elétron no sitio localizado e os elétrons no gás bidimensional (emissor). / We have investigated resonant tunneling in GaAs/(AlGa)As double barrier structures which have been fabricated into square mesoscopic and macroscopic size mesas (&#8764 10&#956m &#215 10&#956m) A &#948 layer with different concentrations of Silicon donors was incorporated at the centre of the quantum well. The I(V) characteristics show some features below the threshold for the main resonance that are due to impurity related state. Such localized states are found to be related to the presence of donor impurities in the vicinity of the quantum well with binding energies much higher than the single isolated hydrogen donor. These higher binding energy states are identified as being due to random pairs of shallow donors. In some devices where an isolated impurity related state can be identified in the 1(V characteristics a remarkable effect is observed. A peak appears at low temperatures (below 1K) in the 1(V) characteristics when the emitter Fermi level matches the localized state. Such feature is attributed to the Coulomb interaction between the electron on the localized site and the electrons in the Fermi sea of the 2DEG.

Nos últimos 30 anos o crescimento paralelo das Ciências de Superfície tradicionais, em ambiente de ultra-alto vácuo (UHV), com a Eletroquímica levou ao nascimento de um novo campo interdisciplinar: Física de Superfície e Eletroquímica. Técnicas de ambas as áreas dão informações complementares e assim, quando realizadas em conjunto podem fornecer muitas respostas em nível atômico, estrutural e eletrônico quando o eletrodo está em contato com a solução eletrolítica. A intenção primordial dessa Dissertação foi o estudo fundamental das fases ricas em oxigênio presentes na superfície de Ru(0001) através de caracterizações eletroquímicas e morfológicas utilizando um sistema que permitiu o acoplamento de uma célula eletroquímica miniatura de fluxo a câmaras de UHV. Inicialmente exibi-se a modificação e a construção de equipamentos necessários para a preparação do sistema binário Au-Pt(111) e do óxido monocristalino Ru2O(110). Imagens de STM em escala morfológica mostraram o crescimento anisotrópico do filme de RuO2(110) sobre um substrato monocristalino de Ru(0001). Resultados obtidos através da técnica de Voltametria Cíclica na eletrooxidação de CO em RuO2(110) corroboraram cálculos teóricos sobre a estrutura da superfície quando esta em ambiente úmido. Superfícies modelos baseadas em ouro, crescido epitaxialmente sobre um substrato de Pt(111), foram preparadas no sistema de UHV. Dados eletroquímicos foram correlacionados às composições superficiais destas, mostrando o efeito do substrato prevalecendo sobre o efeito eletrônico. / In the last 30 years the parallel growth of the traditional Surface Science, under UHV environment, and Electrochemistry gave rise to a new interdisciplinary field: Surface Science and Electrochemistry. Techniques from both sciences give complementary information. Thus, in tandem, they are able to elucidate many atomic, structural and electronic phenomena, of an electrode in contact with a solution. The main goal of this Dissertation was the fundamental study of the Oxygen-rich Ru(0001) surface through electrochemical and morphologic characterizations using a coupled system which allowed the attachment of a miniature flow cell to UVH-chambers. Initially it is shown the construction and modifications of required equipments for the preparation of the binary system Au-Pt(111) and single crystal RuO2(110) oxide. Attainable morphological STM images demonstrated the anisotropic growth of the RuO2(110) over a Ru(0001) substrate. Results of the electrooxidation of CO on RuO2(110), obtained by means of Cyclic Voltammetry, corroborated theoretical calculations concerning the oxide superficial structure in a humid environment. Model surfaces based on Au, epitaxialy grown on a Pt(111) substrate, were prepared under UHV conditions. Electrochemical data and superficial composition were correlated, confirming that the substrate effect overcomes electronic strain effects.

Nesta dissertação são explorados efeitos clássicos e semi-clássicos em espaços-tempos quase-extremos. Na classe de geometrias tratadas aqui, uma região estática entre dois horizontes é considerada, de forma que estes horizontes estão muito próximos e as suas gravidades superficiais são muito pequenas. Este limite quase-extremo surge em vários contextos de interesse, envolvendo buracos negros assintoticamente de Sitter, buracos de minhoca e buracos negros em universos com seção espacial compacta. No trabalho desenvolvido, buracos de minhoca ligando duas regiões com horizontes cosmológicos são estudados em detalhes. Uma vez caracterizada, algumas das propriedades clássicas destas estruturas e efeitos semi-clássicos são explorados. O tratamento quântico proposto leva naturalmente a uma caracterização termodinâmica associada aos horizontes atrapantes presentes na geometria. Consideramos especificamente propriedades térmicas associadas a um campo escalar nos espaços-tempos de interesse. Uma revisão do formalismo de Hayward é feito, com a sua adaptação para espaços-tempos importantes. Buracos de minhoca no regime quase-extremo são discutidos em detalhes. / In this dissertation, classical and semi-classical effects in quasi-extreme spacetimes are explored. In the class of geometries treated here, a static region between two horizons is considered, in such a way that these horizons are very close and their surface gravities are very small. This quasi-extreme limit appears in several contexts of interest, such as asymptotically de Sitter black holes, wormholes and black holes in universes with compact spatial section. In the developed work, wormholes connecting two regions bounded by cosmological horizons are studied in detail. Once some of the classical properties of these structures are characterized, semi-classical effects are explored. The proposed quantum treatment naturally leads to a thermodynamic characterization associated to the trapping horizons present in the geometry. We specifically consider thermal properties associated to a scalar field in the spacetimes of interest. A review of Hayward\'s formalism is presented, with a proper adaptation to important space-times. Wormholes in the near extreme regime are discussed in detail.