contenido - dfi uchile · posibles problemas específicos incluyen: estudiar el efecto de...
TRANSCRIPT
Contenido Active matter in a circular cavity enclosed by a thick rectifying porous membrane ...................... 2
Topological tricks for smarter materials ......................................................................................... 3
Modelo de Materia activa en interacción con paredes rugosas ..................................................... 4
Ondas de Rogue en Cristales Fotorefractivos ................................................................................. 5
Inducción de Redes Fotónicas en Cristales SBN .............................................................................. 6
Escritura de Redes Fotónicas con Pulsos Ultra-Cortos .................................................................... 7
Auto organización inducida por la luz ............................................................................................. 8
Dinámica de sistemas con interacción por medio de imágenes retardadas .................................. 9
Interacción de dislocaciones en la formación de patrones........................................................... 10
Dinámica de vórtices atrapados por trampas magnéticas ............................................................ 11
Óptica Cuántica y estados topológicos en redes ópticas .............................................................. 12
Propagación de luz cuántica en arreglos fotónicos. ...................................................................... 13
Interacción radiación materia ....................................................................................................... 14
Propagación de una onda de spin superficial en una guía de onda modificada geométricamente
....................................................................................................................................................... 15
Caracterización de la deformación plástica en vidrios metálicos e implicancias en el control de
parámetros de caracterización. .................................................................................................... 16
Analogías de óptica cuántica en el agua ....................................................................................... 18
Mecánica elastocapilar: flexión, mojado e interacción ................................................................. 20
Espectro bidimensional de la turbulencia de ondas gravito-capilares: el mar en una taza de leche
....................................................................................................................................................... 22
Interacción onda-vórtice ............................................................................................................... 24
Radiación de Hawking-Unruh en flujos transónicos: medición bidimensional y matrices de
transferencia ................................................................................................................................. 27
Desde Nanoislas a nanoalambres: Crecimiento de plata en superficies de grafito ...................... 29
Nuevos materiales para la producción eficiente de hidrógeno .................................................... 30
Fractalidad en nubes magnéticas .................................................................................................. 31
Modelo de crecimiento de redes complejas para actividad sísmica ............................................ 32
Motilidad de bacterias de suelo, experimentos y analice de datos usando software Biotracker. 33
Aceleración de electrones por ondas whistler en llamaradas solares. ......................................... 34
Aceleración de iones por ondas ión-ciclotrón en discos de acreción en torno a agujeros negros:
rol de los núcleos de helio ............................................................................................................. 35
Supernovae Type Ia classifier code ............................................................................................... 36
Active matter in a circular cavity enclosed by a thick rectifying porous membrane
Encargados: Pablo de Castro ([email protected]), Rodrigo Soto ([email protected])
Active matter is composed of a large number of self-propelled particles, with examples
encompassing bacterial swarms, animal flocks, and autophoretic colloids. Many of its new
behaviours are relevant to applications ranging from biology to industry. In this project we
will perform 2D Brownian dynamics simulations of interacting self-propelled disk-like
particles initially placed inside a circular cavity that is enclosed by a thick porous membrane.
This membrane will be modelled by a circular regular array of fixed asymmetric obstacles
each consisting of a rigid half disk whose flat side faces inwards and measures many times
the particle's diameter. Typically the membrane will be composed of just a few obstacles
along the radial direction - i.e. thickness - and several along its circumference. All
interactions can be regarded as repulsive and elastic, with the particle-obstacle elastic
constant being many times bigger than the particle-particle's one. As in the single obstacle
case in Ref. [1], one expects a net motion towards the flat side (rectification effect), which
would in principle keep particles from escaping the cavity beyond the membrane. Questions
include how particle density, diffusivity, membrane thickness, and obstacles lattice spacing
could affect confinement and therefore an escaping transition, which can be measured
through the radially outwards current. If time allows one could extend this novel study by
considering other cases such as a 3D setup, prolate/oblate particles, mixtures of slow and fast
particles, or the case of disordered membranes (i.e. irregular arrays).
References:
[1] Self propelled particle transport in regular arrays of rigid asymmetric
obstacles: https://arxiv.org/pdf/1407.1718.pdf
[2] Active Particles in Complex and Crowded
environments: https://arxiv.org/abs/1602.00081
[3] Escape Kinetics of Self-Propelled Janus Particles from a Cavity: Numerical
Simulations: https://arxiv.org/pdf/1408.2124.pdf
[4] Controlling the transport of active matter in disordered lattices of asymmetrical
obstacles: https://arxiv.org/pdf/1908.05942.pdf
Topological tricks for smarter materials Encargado:Luis E. F. Foa Torres
Hace más de 30 años, el descubrimiento de la cuantización exacta de la conductancia Hall en
condiciones extremas de bajas temperaturas y altos campos magnéticos (el efecto Hall
cuántico entero) abrió las puertas para el estudio de un nuevo tipo de orden [1]. Veintisiete
años más tarde, predicciones teóricas llevaron al descubrimiento de propiedades similares sin
necesidad de un campo magnético, como una propiedad intrínseca de un material [2]. Esto
fue el origen de lo que hoy conocemos como aislantes topológicos [3], una nueva fase de la
materia que desafía la clasificación usada hasta entonces en metales, aislantes y
semiconductores.
La propuesta para esta práctica tiene dos partes, por un lado revisar los hitos salientes de la
teoría de aislantes topológicos mediante simulaciones numéricas, y por el otro elegir un
problema específico menos explorado para estudiarlo con las herramientas aprendidas en la
primera parte. Posibles problemas específicos incluyen: estudiar el efecto de diferentes tipos
de desorden en la conductancia de estos sistemas; estudiar nuevas posibilidades para
controlar las corrientes (de carga, valle, spin) en estos sistemas. Más información sobre
nuestro trabajo en [4].
Se requiere una fuerte motivación, muy buen manejo de Mecánica Cuántica y elementos de
Física del Sólido.
Cupos disponibles: 1
[1] von Klitzing, Dorda, and Pepper, Phys. Rev. Lett. 45, 494 (1980).
[2] König et al., Science 318, 766 (2007).
[3] Hasan and Kane Rev. Mod. Phys. 82, 3045 (2010).
[4] http://www.foatorres.com/research/
Modelo de Materia activa en interacción con paredes rugosas Encargados: María Luisa Cordero, Néstor Sepúlveda
La materia activa es un concepto que busca describir la dinámica colectiva e individual de
los microorganismos, peces, pájaros o mamíferos. Lo que define a la materia activa es la
capacidad de cada elemento (ya sea una bacteria o un pez) de tomar energía del ambiente
para transformarla en movimiento. Una de las propiedades que caracterizan la materia activa
es que cada elemento presentan autopropulsión y persistencia. La combinación de ambas da
lugar a varios fenómenos novedosos, dónde el más destacable es la agrupación de muchos de
estos elementos en grandes cúmulos. Los elementos autopropulsadas normalmente tienden a
acercarse a las paredes de los contenedores. En nuestros trabajos [1,2], estudiamos cuál es su
comportamiento colectivo al encontrarse con superficies sólidas, encontrando tres formas
muy diferentes de estructurarse. Primero, si los elementos tienden a ser muy persistentes (es
decir, viajan por mucho tiempo en la misma dirección), se agrupan formando una capa
uniforme en la pared, de un grosor que puede ser controlado. Si son un poco menos
persistentes, forman grupos separados entre sí de manera periódica, como si fueran gotas.
Por último, si son muy poco persistentes y cambian de dirección fácilmente, entonces no se
pegan a la pared. Estas fases presentan dos transiciones de no equilibrio con exponentes
críticos universales en ambos casos. El propósito de la practica de verano es estudiar en
detalle el diagrama de fase para el sistema estudiado en la ref. [1,2], en el caso de paredes
rugosas. Se quiere entender cuál es el efecto de la rugosidad de la pared en la forma en que
se estructuran los elementos en esta. Además se quiere probar las predicciones de este estudio
en experimentos de suspensiones bacterianas. La posible aplicaciones de esta investigación
es, por ejemplo, entender mejor la formación de bio-películas en utensilios médicos, que son
una fuente frecuente de contaminación.
El estudio del problema será a través de simulaciones numéricas y experimentos.
Cupos: 2 estudiantes
[1] Wetting transitions displayed by persistent active particles. Néstor Sepúlveda and
Rodrigo Soto. Phys. Rev. Lett. 119, 078001 (2017)
[2] Universality of active wetting transitions. Néstor Sepúlveda and Rodrigo Soto. Phys.
Rev. E, (2018)
Ondas de Rogue en Cristales Fotorefractivos
Profesor: Rodrigo A. Vicencio.
Cupo: 1-2 alumnos.
Las Ondas de Rogue corresponden a eventos de gran amplitud y muy baja estadística.
Históricamente han sido asociadas a olas gigantes que devoraban barcos, razón por lo que su
estudio comenzó en un contexto oceanográfico [1]. Hasta la fecha estas ondas han sido
detectadas en diversos sistemas físicos, incluyendo variados sistemas ópticos que presentan
respuestas lineales o no lineales, dando lugar a una rica dinámica ondulatoria [2].
En este contexto, nuestro grupo publicó este año un trabajo numérico y experimental en el
que pudimos observar estas ondas en cristales fotorefractivos SBN. Estos cristales presentan
una respuesta saturable en la susceptibilidad eléctrica, lo que genera una dependencia no
lineal para el campo óptico. Esto genera regiones de estabilidad e inestabilidad para los haces,
lo que permite la formación de estructuras localizadas que pueden colapsar y formar
acumulaciones de intensidad muy alta, con un muy bajo conteo estadístico [3].
Esta práctica consiste en un entrenamiento en óptica básica, intermedia y avanzada, para
luego explorar la formación de Ondas de Rogue en estos cristales. Para ello es necesario
dominar técnicas de alineación óptica y manejo de haces gaussianos con el fin de excitar un
cristal SBN con haces de distinta potencia y distinto ancho incidente.
[1] C. Kharif and E. Pelinovsky, Eur. J. Mech. B Fluids 22, 603 (2003).
[2] J.M. Dudley, F. Dias, M. Erkintalo, and G. Genty, Nat. Phot. 8, 755 (2014).
[3] C. Hermann-Avigliano et al., Opt. Lett. 44, 2807 (2019).
Inducción de Redes Fotónicas en Cristales SBN
Profesor: Rodrigo A. Vicencio.
Cupo: 1-2 alumnos.
Las redes fotónicas consisten en arreglos espaciales del índice de refracción, en donde las
regiones con un valor mayor corresponden a guías de ondas por donde la luz es guiada. Si la
distribución espacial de guías es periódica, se habla de un cristal fotónico [1]. Estos sistemas
son ideales para el estudio de transporte y localización de energía en sistemas periódicos, en
donde la geometría particular de la red definen las propiedades observadas en cada sistema.
Así, el estudio de muchas propiedades investigadas teóricamente en el contexto de la física
del estado sólido, las que han carecido de una observación directa, han podido realizarse en
un montaje óptico vía una simple cámara CCD. Específicamente, la técnica de inducción
óptica consiste en la iluminación de un cristal fotorefractivo mediante patrones de
interferencia formados por múltiples haces, siendo posible modificar la densidad de carga
localmente, y generar así una distribución espacial periódica del índice de refracción al
interior del cristal SBN, lo que finalmente se traduce en la inducción de un cristal fotónico.
Esta práctica busca introducir al estudiante a un entrenamiento básico, intermedio y avanzado
de óptica, en los que se aprenderán técnicas de alineación, control de haces gaussianos,
interferometría y formación de imágenes, para luego estudiar las propiedades dinámicas de
los arreglos inducidos. Mediante la implementación de un interferómetro de Mach-Zehnder
induciremos una red uni-dimensional, para luego estudiar difracción discreta y formación de
solitones discretos [2].
[1] J.D. Joannopoulos, et al., “Photonic Crystals: Molding the Flow of Light”.
[2] R. Allio et al., J. Opt. 17, 025101 (2015).
Escritura de Redes Fotónicas con Pulsos Ultra-Cortos
Profesor: Rodrigo A. Vicencio.
Cupo: 1 alumno.
Las redes fotónicas consisten en arreglos espaciales del índice de refracción, en donde las
regiones con un valor mayor corresponden a guías de ondas por donde la luz es guiada. Si la
distribución espacial de guías es periódica, se habla de un cristal fotónico [1]. Estos sistemas
son ideales para el estudio de transporte y localización de energía en sistemas periódicos, en
donde la geometría particular de la red definen las propiedades observadas en cada sistema.
Así, el estudio de muchas propiedades investigadas teóricamente en el contexto de la física
del estado sólido, las que han carecido de una observación directa, han podido realizarse en
un montaje óptico vía una simple cámara CCD. La escritura de redes fotónicas con un láser
de femtosegundos (fs) es una técnica de micro-fabricación 3D en la que nuestro grupo se
encuentra trabajando desde hace unos meses. Esta técnica consiste en enfocar un láser de
muy corta duración (unos 240 fs), para generar una aglomeración local de moléculas, lo que
produce un aumento del índice de refracción suficiente para guiar la luz. Esta técnica se ha
mostrado extremadamente versátil, permitiendo crear arreglos 3D variados y observar
conceptos fundamentales de la física del estado sólido [2].
Esta práctica busca introducir al estudiante a un entrenamiento básico, intermedio y
avanzado de óptica, donde se trabajará en la caracterización de la técnica de “escritura
directa de guías de ondas con láser de femtosegundos (direct femtosecond laser writing)".
Específicamente, trabajaremos en la fabricación de arreglos fotónicos en medios dieléctricos
transparentes (específicamente en borosilicato), los que caracterizaremos mediante
microscopía directa e inyección de luz en guías específicas.
[1] J.D. Joannopoulos, et al., “Photonic Crystals: Molding the Flow of Light”.
[2] R.A. Vicencio et al., Phys. Rev. Lett. 114, 245503 (2015).
Auto organización inducida por la luz
Profesor Encargado: Marcel Clerc
Los sistemas macroscópicos
mantenidos fuera del
equilibrio termodinámico por
medio de inyección de energía
exhiben interesantes
comportamientos dinámicos
tales como oscilaciones,
comportamientos caóticos, y
patrones entre otros. Los
patrones se caracterizan por
ser auto organización espacial
que exhibe algún motivo que
se repite espacialmente,
ejemplos típicos de esto son las dunas, las montañas, pelajes de mamíferos, alas de mariposas,
huellas digitales, formas de la mano del ser humano. Con el objetivo de entender los
mecanismos y caracterización de la auto organización nosotros hemos considerados películas
delgadas de cristales líquidos dopadas con colorantes sometidas a intensos rayos de luz [1-
4], como resultado de la fotoisomerización, se observan complejos patrones dinámicos (ver
figura).
El objetivo de la práctica de verano será realizar estudio experimental y teórico de la autor-
organización en películas de cristales líquidos con nuevos dopantes. En Particular, se
caracterizará la dinámica la emergencia de patrones, la propagación sobre otros estados,
interacción de defectos entre otros fenómenos. Los experimentos serán realizados en el
laboratorio de fenómenos robustos en óptica (LAFER, https://www.cec.uchile.cl/~lafer/).
Requisito: Mecánica Clásica.
Bibliografía
[1] V. Odent, M.G. Clerc, C. Falcon, U. Bortolozzo, E. Louvergneaux, and S. Residori,
"Photoisomerization fronts in dye-doped nematic liquid crystals,” Opt. Lett. 39, 1861
(2014).
[2] I. Andrade-Silva, U. Bortolozzo, M.G. Clerc, G. Gonzalez-Cortes, S. Residori, and M.
Wilson, "Spontaneous light-induced Turing patterns in a dye-doped twisted nematic layer,"
Sci. Rep. 8, 12867 (2018).
[3] I. Andrade-Silva, U. Bortolozzo, C. Castillo-Pinto, M.G. Clerc, G. González-Cortés, S.
Residori and M.Wilson "Dissipative structures induced by photoisomerization in a
dyedoped nematic liquid crystal layer," Phil. Trans. R. Soc. A. 376, 20170382 (2018).
[4] C. Castillo-Pinto, M.G. Clerc, and G. González-Cortés "Extended stable equilibrium
invaded by an unstable state,” Sci. Rep. 9, 15096 (2019).
Dinámica de sistemas con interacción por medio de imágenes retardadas
Profesor Encargado: Marcel Clerc
Experimentalmente se ha observado que al hacer
interactuar una imagen con el monitor donde se
registran debido al retardo temporal se observan
equilibrios estacionarios, oscilatorios, caóticos y
caóticos espacio temporales, ver figura [1,2]. EL
desarrollo de herramientas modernas como
espectro de Lyapunov, vectores de Lyapunov,
secciones de Poincaré espaciotemporales, cámaras
CMOS, entre otras permiten tener una visión mas
completa de la compleja dinámica de los sistemas
espacialmente extendidos.
El objetivo de esta actividad de verano será montar
un experimento de interacción de imágenes
retardadas, realizar la caracterización experimental
de la dinámica observada y estudio teórico de la auto organización de este sistema. Los
estudios experimentales se llevarán a cabo en el laboratorio de fenómenos robustos en óptica
(LAFER, https://www.cec.uchile.cl/~lafer/)
Requisito: Mecánica Clásica.
Bibliografía
[1] J. P. Crutchfield, "Space-Time Dynamics in Video Feedback". Physica 10D 1984: 229-
245.
[2] https://www.youtube.com/watch?v=B4Kn3djJMCE&feature=youtu.be
Interacción de dislocaciones en la formación de patrones
Profesor Encargado: Marcel Clerc
La formación de patrones en medios isótropos se
caracterizan por presentar patrones tipo rayas.
Por ejemplo, este es el tipo de estructuras que
encontramos en el pelaje de las cebras, en la
agrupación de ciertas nubes (ver figura). Cerca de
la transición nemático quiral y esméctico uno
observa la emergencia de patrones tipo rayas.
Debido a las imperfecciones, condiciones de
borde y diferentes longitudes de ondas que se
desarrollan en este sistema, se caracteriza por
exhibir dislocaciones, lo cual es un defecto
puntual que une una región con más o menos
longitudes de onda [1-6].
En la práctica de verano, realizaremos estudio experimental, numérico, y teórico, sobre la
dinámica de las dislocaciones. La teoría de ecuaciones de amplitud predice que las
dislocaciones se aniquilan, sin embargo, predicciones preliminares predicen estados ligados.
Los estudios experimentales se llevarán a cabo en el laboratorio de fenómenos robustos en
óptica (LAFER, https://www.cec.uchile.cl/~lafer/).
Requisito: Mecánica Clásica.
Bibliografía
[1] L. M. Pismen, Patterns and Interfaces in Dissipative Dynamics (Springer, Berlin, 2006).
[2] M. C. Cross and P. C. Hohenberg, Rev. Mod. Phys. 65, 851 (1993).
[3] M. Cross and H. Greenside, Pattern Formation and Dynamics in Nonequilibrium
Systems (Cambridge University Press, New York, 2009).
[4] M. I. Rabinovich, A. B. Ezersky, and P. D. Weidman, The Dynamics of Patterns (World
Scientic, Singapore, 2000).
[5] G. Nicolis, Introduction to Nonlinear Science (Cambridge University Press, Cambridge,
1995).
[6] R. B. Hoyle, Pattern Formation: An Introduction to Methods (Cambridge University
Press, Cambridge, 2006).
Dinámica de vórtices atrapados por trampas magnéticas
Profesor Encargado: Marcel Clerc
Durante la última década se ha realizado un gran esfuerzo en entender la generación de
vórtices ópticos debido a sus aplicaciones como pinzas ópticas, encriptación de
telecomunicaciones, trasmisión de comunicaciones en el espacio libre, métodos de
tratamiento de imágenes, elementos para computación cuántica, entre otras. Nosotros
basados en cristales líquidos con paredes fotosensibles, hemos sido capaces de generar
vórtices ópticos en forma eficiente (ver figura) [1-6].
Recientemente, por medio de anillos magnéticos hemos
sido capaces de inducir vórtices manipulables en un
cristal líquido. El objetivo de la practica de veranos será
estudiar experimental y teóricamente la inducción de
vórtices por medio de forzamientos magnéticos
topológicos. Los estudios experimentales se llevarán
acabo en el laboratorio de fenómenos robustos en óptica
(LAFER, https://www.cec.uchile.cl/~lafer/).
Requisito: Mecánica Clásica.
Bibliografía
[1] R. Barboza, U. Bortolozzo, G. Assanto, E. Vidal-Henriquez, M. G. Clerc, and S.
Residori, "Vortex Induction via Anisotropy Stabilized Light-Matter Interaction," Phys.
Rev. Lett. 111, 093902 (2013).
[2] R. Barboza, U. Bortolozzo, G. Assanto, E. Vidal-Henriquez, M. G. Clerc, and S.
Residori, "Harnessing Optical Vortex Lattices in Nematic Liquid Crystals," Phys. Rev.
Lett. 109, 143901 (2012).
[3] R. Barboza, U. Bortolozzo, M. G. Clerc, S. Residori, and E. Vidal-Henriquez,
"Optical vortex induction via light–matter interaction in liquid-crystal medial," Adv. Opt.
Photonics 7, 635 (2015).
[4] R. Barboza, U. Bortolozzo, S. Residori, M. G. Clerc, and E. Vidal-Henriquez, "Light–
matter interaction induces a single positive vortex with swirling arms,” Philos. Trans. R.
Soc. A. 372, 20140019 (2014).
[5] R Barboza, M.G. Clerc, U Bortolozzo, JD Davila, M Kowalczyk, S Residori, and E
Vidal- Henriquez, "Light-matter interaction induces a shadow vortex," Phys. Rev. E 93,
050201(R) (2016).
[6] E. Calisto, M.G. Clerc, M. Kowalczyk, and P. Smyrnelis, "On the origin of the optical
vortex lattices in a nematic liquid crystal light valve," Opt. Letts. 44, 2947 (2019).
Óptica Cuántica y estados topológicos en redes ópticas
Profesor: Carla Hermann Avigliano y Luis Foà Torres.
El estudio de estados topológicos en sistemas ópticos permite la realización de modelos
considerandos imposibles de estudiar en el área de materia condensada [1]. En la mayor parte
de esos estudios, sólo se considera la propagación de luz clásica, que es de gran interés
aunque deja fuera otras manifestaciones cuánticas de la radiación. En esta práctica de verano
nos proponemos explorar el punto de frontera entre la óptica cuántica y la topología mediante
cálculos analíticos y numéricos, con el objetivo de responder a la siguiente pregunta: ¿cómo
evolucionan las características cuánticas de la luz (distribución de número de fotones y/o
funciones de correlaciones de segundo orden o mayor) en función de parámetros
topológicos?
Referencias:
(1) T. Ozawa et al., Rev. Mod. Phys. 91, 015006 (2019).
Se requiere una fuerte motivación, buen manejo en mecánica cuántica y elementos de
Física del Sólido.
Posibles cupos: 2
Propagación de luz cuántica en arreglos fotónicos.
Profesor: Carla Hermann Avigliano
La frontera entre los campos de la mecánica cuántica y los sistemas fotónicos no esta
completamente estudiada. La mayor parte de los esfuerzos se ha centrado en estudiar la luz
sólo como una amplitud, sin considerar que esta puede conllevar fenómenos muchísimos más
ricos al involucrar su naturaleza discreta. Esta practica de verano tiene como objetivo
explorar la propagación de luz cuántica en sistemas tipo arreglos fotónicos 1D mediante
cálculos analíticos y numéricos. Las siguientes ideas serán propuestas como continuación del
artículo [1]:
• Estudio de entrelazamiento entre polarización del haz entrante y multimodalidad en
squeezing generado.
• Generación de squeezing n-modal par e impar en arreglos 1D.
• Ambas ideas al involucrar estados de Fock con n grande.
Referencias:
(1) “Manipulation of Multimode Squeezing in a Coupled Waveguide Array”, S. Rojas-
Rojas, E. Barriga, C. Muñoz, P. Solano, and C. Hermann-Avigliano, Phys. Rev. A 100,
023841, 2019.
Se requiere una fuerte motivación, un buen manejo en mecánica cuántica y sistemas
fotónicos discretos.
Posibles cupos: máximo 2
Interacción radiación materia
Profesor: Carla Hermann Avigliano
La interacción de la radiación con la materia en su formulación full cuántica presenta
fenómenos extremadamente contra-intuitivos [1]. Esta practica de verano tiene como
objetivo explorar la generación de estados exóticos del campo electromagnético a través de
la interacción de un estado coherente o squeezing inicial con uno o más qubits, con y sin
disipación. Se considerarán cálculos analíticos y numéricos. En particular se quiere analizar
el sistema de campo confinado en una nanofibra, es decir, un campo sin cavidad externa.
Referencias:
(1) “Exploring the Quantum Atoms, Cavities, and Photons”. Serge Haroche and
Jean-Michel Raimond Oxford Graduate Texts
(2) “Scheme for efficient generation of mesoscopic field-state superposition in cavity
QED”. C. Hermann-Avigliano, N. Cisternas, M. Brune, J.-M. Raimond, and C.
Saavedra Phys. Rev. A 91, 013815
Se requiere una fuerte motivación, un buen manejo en mecánica cuántica y óptica
cuántica.
Posibles cupos: máximo 3
Propagación de una onda de spin superficial en una guía de onda modificada
geométricamente
Profesor: Rodrigo Arias
Existe un área de investigación relativamente nueva llamada “Magnonics" que se refiere a
estudiar el comportamiento de ondas de spin en nano-estructuras [1]. El interés principal es
utilizar ondas de spin como medio de transmitir información en circuitos nanométricos. La
información podría estar codificada en la amplitud, frecuencia y fase de la onda de spin, por
ejemplo. Una pregunta que surge en forma natural en este contexto es cómo se propagan
ondas de spin en nano-guías ferromagnéticas que forman parte de circuitos que van a tener
perturbaciones geométricas.
Lo que se propone en este tema de investigación es un problema relacionado a la temática
anterior, que es de interés, y que podría ser abordado en el tiempo asignado. Este consiste en
estudiar la propagación de una onda de spin magnetostática superficial en un film
ferromagnético que tenga una perturbación geométrica localizada, como una depresión o una
protuberancia. Lo que se pretende es calcular la onda reflejada y la transmitida en esta
configuración haciendo uso de una formulación del problema en términos de una ecuación
integral para el potencial magnetostático escrita en la superficie del material [2]-[4]. Estas
ondas magnetostáticas de superficie son llamadas de Damon-Eshbach [5], y tienen el interés
de que tienen velocidad de grupo altas, es decir son potencialmente buenas transmisoras de
información [1]. Un primer paso de interés es ver bajo qué condiciones existiría un eventual
estado localizado en la protuberancia o depresión. Si el tiempo alcanzara, también se podría
estudiar el caso de propagación de esta onda superficial en una superficie que se curva. En
particular para hacerlo más concreto sería una onda que viene por una superficie plana, pasa
por una zona de radio de curvatura conocido, para luego pasar a otra zona plana. La figura
siguiente ejemplifica esta situación.
Figure 1: Example of a curved waveguide
References
[1] V.V. Kruglyak, S.O. Demokritov, D. Grundler, J. Phys. D: Appl. Phys. 43, 264001
(2010).
[2] Rodrigo Arias, D.L. Mills, Phys. Rev. B 70, 094414 (2004).
[3] Rodrigo Arias, D.L. Mills, Phys. Rev. B 72, 104418 (2005).
[4] Claudio Jarufe, R.E. Arias, Phys. Rev. B 85, 205411 (2012).
[5] R.W. Damon, J.R. Eshbach, J. Phys. Chem. Solids 19, 308 (1961).
Caracterización de la deformación plástica en vidrios metálicos e implicancias en el
control de parámetros de caracterización.
Profesor: Fernando Lund.
Postdoctorante: Matías Sepúlveda-Macias.
Los vidrios metálicos (MGs) existen desde 1960 [1]. Comparten una serie de propiedades
con el óxido y otros vidrios, especialmente la falta de un orden traslacional de largo alcance.
El hecho de que los MGs se puedan moldear ha permitido una serie de aplicaciones para la
fabricación de piezas que necesitan tener una forma prescrita y en las que es útil una
combinación de alta resistencia y baja rigidez. El comportamiento mecánico de los MGs es
una característica notable que los hace únicos. A deformaciones muy bajas, su respuesta
mecánica es lineal, similar a su contraparte cristalina. Sin embargo, a medida que aumenta la
deformación, los metales cristalinos desarrollan dislocaciones y sufren deformación plástica.
Los MG, que no tienen una red cristalina, no tienen esta propiedad y son frágiles. En los
MGs, el flujo de plástico se produce y se localiza dentro de bandas de corte finas (SBs) [2],
como muestra la figura 1. La aparición de SBs es a menudo una señal de falla inminente, por
lo que es fundamental lograr una comprensión lo más completa posible de su
comportamiento.
Figura 1: Bandas de corte para el Cu50Zr50 sometido a deformación de cizalle.
Existen dos proyectos asociados a este estudio:
1.- La caracterización de MGs sometidos a deformación de cizalle via dinámica molecular
clásica a baja tasa de deformación. La caracterización se realizará identificando la
deformación plástica del sistema a través de la invariante de von Mises [3], que establece una
relación entre las componentes del tensor de deformación y las bandas de corte. En particular,
es de interés conocer la importancia del invariante de von Mises en el comportamiento
plástico de los vidrios metálicos y como se ven afectadas las cantidades de localización de
deformación y estructura a nivel atómico, al momento de elegir un cierto umbral del
invariante de von Mises.
2.- Existe un umbral para el invariante de von Mises, capaz de identificar las bandas de corte,
el cual, en primera aproximación, parece ser aleatorio. De forma adicional, es posible asociar
la energía plástica macroscópica con las componentes de los tensores de esfuerzo y
deformación a nivel atómico. ¿Cuáles son las condiciones que permiten que ciertas
elecciones del invariante de von Mises permitan un balance de energía y una consecuente
relación con las bandas de corte?
[1] Klement W, Williens RH, Duwez P. Non-crystalline structure in solidified gold–silicon
alloys. Nature. (1960);187:869–870.
[2] Greer A, Cheng Y, Ma E. Shear bands in metallic glasses. Materials Science and
Engineering: R: Reports. (2013);74:71 – 132.
[3] Shimizu F, Ogata S, Li J. Theory of Shear Banding in Metallic Glasses and Molecular
Dynamics Calculations. Materials Transactions. (2007);48(11):2923 – 2927.
Analogías de óptica cuántica en el agua
Carla Hermann Avigliano, Claudio Falcón
Cuando se modela al campo electromagnético de forma cuantizada aparecen efectos físicos
que no tienen un análogo clásico. Esto sucede por ejemplo cuando se hace incidir un haz de
fotones singulares en experimentos del tipo doble rendija, donde se observa un fenómeno de
interferencia de partículas discretas [1]. Fenómenos similares contra-intuitivos se observan
cuando interactua la radiación y la materia cuantizada. Este tipo de experimentos requieren
una fuente de fotones únicos, o de átomos únicos, que son extremadamente difíciles de hacer.
Sin embargo, se ha visto en las últimas décadas que se pueden observar fenómenos cuánticos
análogos en fluidodinámica, particularmente en agua [2].
FIG. 1: (a): Esquema experimental de la gota caminante unidimensional. (b) Medida experimental. Ambos tomadas de[3].
Esta Práctica de Verano estudiaremos algunas de éstas analogías y las llevaremos al
laboratorio. Se plantea construir un canal unidimensional similar al planteado en [3], donde
gotas caminantes se moverán en una dimensión.
Las gotas se moverán sobre una capa de fluido vibrado verticalmente cuya aceleración es
menor que la aceleración crítica de Faraday [2]. El canal sera construido con obstáculos
longitudinales en el fondo de tal manera de excitar localmente ondas de Faraday, que
interactuarán con las gotas caminantes. Esta dinámica se estudiará también teóricamente
utilizando algunas herramientas de la óptica cuántica, donde la gota en si y la onda generada
por ella tiene un análogo a lo que se conoce como la dualidad onda partícula. Se intentará
responder a preguntas del tipo ¿cómo interactua la onda generada por la gota con ella misma
pero en un tiempo posterior? Se utilizará como metodología las ecuaciones de la
fuidodinámica en el límite de capas delgadas, inestabilidades hidrodinámicas, teoría
hamiltoniana y elementos de mecánica del continuo. Experimentalmente se utilizarán
métodos de adquisición y tratamiento de imágenes tanto para seguir la gota como la
deformación de la superficie utilizando la técnica de Schileren sintético [4]. Los resultados
esperados de esta práctica son la caracterización de la trayectoria de la gota caminante en
función de la interacción con una onda de Faraday via la distribución de probabilidad de su
posición, fase y momentum.
Requerimientos: Conocimientos de métodos matemáticos de la física y/o mecánica del
continuo. Conocimientos básicos de Matlab y/o Mathematica y/o Pyton y/o Julia.
Conocimientos básicos de Mecánica Cuántica y de Fluidos.
Cupos: 2 estudiantes
Electronic address: [email protected]
Electronic address: [email protected]
[1] the Quantum Atoms, Cavities, and Photons. Serge Haroche and Jean-Michel Raimond
Oxford Graduate Texts
[2] Single-Particle Difraction and Interference at a Macroscopic Scale, Yves Couder and
Emmanuel Fort, Phys. Rev. Lett. 97, 154101 (2006)
[3] Walking droplets in linear channels, Boris Filoux, Maxime Hubert, Peter Schlagheck,
and Nicolas Vandewalle Phys. Rev. Fluids 2, 013601 (2017)
[4] Real-time quantitative Schlieren imaging by fast Fourier demodulation of a checkered
backdrop. S. Wildeman. Exp Fluids 59 97 (2018).
Mecánica elastocapilar: flexión, mojado e interacción
Profesores: Claudio Falcón, Joel Marthelot
La interacción entre elasticidad y capilaridad se ha transformado en un sujeto de estudio
importante a la hora de controlar la mecánica de sólidos suaves (caracterizados por un
módulo de elasticidad G) sometidos a la tracción de un fluido caracterizado por una tensión
superficial γ. Así podemos entender la dinámica del problema mediante una longitud
elastocapilar L = E/γ [1] que ayuda a entender las típicas escalas a las cuales un sólido puede
ser deformado superficialmente por un fluido. Este tipo de argumentos son útiles para
describir la estática de un sólido suave, sus posibles configuraciones en inestabilidades.
Ejemplos de este tipo de ideas permiten entender cómo se enrollan fibras elásticas por acción
de gotas de agua, pelos mojados se mantienen adheridos entre sí y películas delgadas se
enrollan para cubrir fluidos [1].
FIG. 1: Izquierda: Fibra elástica enrollada sobre la superficie de una burbuja de agua
[2].Derecha Flexión de una fibra elástica por acción de un medio granular [3].
En esta Práctica de Verano, se plantea estudiar la interacción elastocapilar entre una fibra
elástica (módulo de flexión B, largo L, densidad ρf=950 kg/m3) que flota en una superficie
de fluido (agua, γ=72 mN/m, densidad ρw =1000 kg/m3) cuando ´este presenta ondas (que
aparecen vía la inestabilidad de Faraday [4]). Las ondas tienen una longitud de onda λ y
amplitud A que pueden ser piloteadas externamente mediante la vibración controlada del
contenedor que soporta el fluido. La fibra flota en la superficie del agua y se ve deformada
por la acción de las ondas. Siguiendo la idea propuesta en [3], se estudiarán las posibles
configuraciones de la fibra y su distribución en función de los parámetros experimentales. Se
utilizará como metodología las ecuaciones de la fluidodinámica, las de la mecánica del
continuo y métodos de adquisición y tratamiento de imágenes para seguir la fibra. Los
resultados esperados de esta práctica son la caracterización de las configuraciones de la fibra
y su descripción estadística para diferentes parámetros experimentales.
Requerimientos: Conocimientos de métodos matemáticos de la física y/o mecánica del
continuo. Conocimientos básicos de Matlab y tratamiento de imágenes.
Cupos: 2 estudiantes
Electronic address: [email protected]
Electronic address: [email protected]
[1] J. Bico, E. Reyssart and B. Romain, Annu. Rev. Fluid Mech. 50 629–59 (2018)
[2] R.D. Schulman et al, Soft Matter 13 720–24 (2017).
[3] David J. Schunter, Jr., Martin Brandenbourger, Sophia Perriseau, and Douglas P.
Holmes, Phys. Rev. Lett. 120, 078002 (2018).
[4] M. Faraday, Philos. Trans. R. Soc. London 121, 299 (1831).
Espectro bidimensional de la turbulencia de ondas gravito-capilares: el mar en una
taza de leche
Profesores: Claudio Falcón, Gustavo Castillo, Gustavo Düring
La interacción de ondas no lineales genera diferentes estados fuera del equilibrio que aparecen en
contextos tan diversos como los plasmas astrofísicos, ondas gravitacionales, ondas superficiales de
agua, placas elásticas e incluso fenómenos sociales [1]. La caracterización de estos estados permite
entender de mejor manera los mecanismos fundamentales de disipación e inyección de energía (u
otras cantidades conservadas) entre diferentes escalas de los sistemas bajo estudios. Teóricamente,
en el contexto de la turbulencia de ondas [1], se ha podido predecir diferentes propiedades de estos
estados fuera del equilibrio utilizando simples y razonables hipótesis. Una de ellas es la isotropía del
espacio, que es fácilmente rota en presencia de un patrón regular sobre el cual se propagan ondas
o cuando curvatura está presente.
Recientemente [2] hemos estudiado el estado estacionario que resulta al hacer interactuar ondas
capilares (cortas) que aparecen via una inestabilidad paramétrica [3] formando un patrón con una
longitud de onda controlada y fija λ con ondas de gravedad (largas) aleatorias generadas por el
movimiento horizontal de un pistón. El estado que genera el sistema es fuertemente intermitente
y su espectro muestra una ley potencia similar al que predice Phillips [4] para ondas de gravedad en
el mar, pero en una escala mucho más pequeña. La aparición de este espectro se puede entender
por la advección de ondas capilares por las ondas de gravedad. Esta hipótesis no ha sido confirmada
experimental ni teóricamente.
FIG. 1: Izquierda: Esquema del montaje expeirmental. Derecha: Imagen del campo oscilatorio de Faraday tomada de
[5].
En este proyecto de investigación, se plantea estudiar experimental y teórica la interacción
de ondas superficiales de agua en el régimen debilmente no-lineal que generan un espectro
invariable de escala similar al de Phillips. Para esto se plantea montar la técnica de medición
experimental llamada Fotografía por Difusión de la Luz[5] que permite acceder a todo el
campo ondulatorio bidimensional. Se utilizarán las ecuaciones de la fluidodinámica aplicadas
a ondas superficiales de agua en el límite inviscido y experimentos en una celda construida
específicamente para este problema. Los resultados esperados de esta práctica son la
caracterización del espectro espacio temporal S(k,ω) donde k es el modulo del vector de onda
y ω su frecuencia. Este espectro será comparado con la teoría de turbulencia de ondas 2 para
ondas de gravedad y con el espectro estacionario de fluctuaciones propuesto por Phillips.
Requerimientos: Conocimientos básicos de Matlab y/o Mathematica. Cupos: 2 estudiantes.
Electronic address: [email protected]
Electronic address: [email protected]
Electronic address: [email protected]
[1] V. E. Zakharov, V. S. L’vov, and G. Falkovich, Kolmogorov Spectra of Turbulence I,
Wave Turbulence, Springer Series in Nonlinear Dynamics (Springer, Berlin, 1992); S.
Nazarenko, Wave Turbulence, Lecture Notes in Physics (Springer, Berlin, 2011); A. C.
Newell and B. Rumpf, Annu. Rev. Fluid Mech. 43, 59 (2011).
[2] G. Castillo and C. Falco´n, Generation of intermittent gravitocapillary waves via
parametric forcing, Phys. Rev. E 97, 043101 (2018)
[3] M. Faraday, Philos. Trans. R. Soc. London 121, 299 (1831).
[4] O. M. Phillips, J. Fluid Mech. 4, 426 (1958).
[5] W. B. Wright, R. Budakian, and S. J. Putterman, Phys. Rev. Lett. 76, 4528 – (1998); H.
Xia, T. Maimbourg, H. Punzmann, and M. Shats, Phys. Rev. Lett. 109, 114502 (2012); M,
Berhanu and E. Falcon, Phys. Rev. E 87, 033003 (2013).
Interacción onda-vórtice
Profesores: Francisco Reyes, Claudio Falcón
El estudio de la interacción onda-vórtice en fluidodinámica ha sido sujeto de estudio desde
Da Vinci. En particular, el efecto del flujo vortical sobre onda superficial en agua ha sido
parte importante del desarrollo de la fluidodinámica y su aplicación a la ingeniería que trabaja
con la interacción flujo-estructura [1]. Una ejemplo controlado para estudiar este tipo de
complejas interacciones es la interacción de una onda de batea (sloshing) en un contenedor
con un flujo de vortices controlados. Este tipo de ondas son de vital importancia en el
transporte de fluidos y contenedores, y son las responsables de que nunca podamos llevar
una taza de café de un lugar a otro sin derramarlo.
La atenuación de ondas superficiales por flujos vorticales ha sido intensamente estudiada en
física y oceanografía [3–18]. En estos estudios la interacción onda vórtice aumenta el
amortiguamiento de las ondas vía el acople nolineal (especialmente en el caso de la
turbulencia hidrodinámica a altos números de Reynolds), lo que conlleva complicaciones
experimentales y de modelación. Incluso se hace más difícil en el caso en que las ondas
superficiales tienen amplitudes grandes lo que genera no linealidades e inestabilidades
hidrodinámicas.
FIG. 1: Izquierda: Montaje experimental.Derecha Velocimetr´ıa de particulas y su vorticidad utilizando PIVLab [19].
En esta Práctica de Verano, se plantea estudiar la interacción onda-vórtice en una
configuración de onda de batea (como la que se muestra en la Fig.1). Una caja con un arreglo
de motores en cuadripolo genera un flujo vortical controlado cuando se deposita dentro de
ella una capa de agua. Los vórtices generan un flujo turbulento controlado por la velocidad
angular de giro de los motores ωm. Sobre este flujo se envía una onda de gran longitud y baja
frecuencia vía un vibrador electromecánico, que controla la amplitud de la onda y su
frecuencia. Midiendo la posición del contenedor y la fuerza ejercida por el vibrador, se puede
conocer el efecto del flujo y de la onda sobre el contenedor. Además, se monta una hoja laser
y una cámara para poder acceder tanto a las fluctuaciones superficiales de la capa de agua
como a su campo de velocidad interno via el sofware PIVLab en Matlab [19]. Se plantea
utilizar este montaje para estudiar el amortiguamiento de la onda de batea nonlineal en
presencia del flujo vortical, midiendo tanto la onda como el flujo turbulento bajo la capa de
agua. Utilizando un modelo de ondas en capas delgadas se plantea también usar estos datos
experimentales para construir un coeficiente de amortiguamiento turbulento que pueda servir
para cuantificar la dinámica observada. Se utilizará como metodología las ecuaciones de la
fluidodinámica en el límite de capas delgadas y métodos de adquisición y tratamiento de
imágenes. Los resultados esperados de esta práctica son la caracterización de la amplitude de
la onda vía su curva de resonancia en función de la amplitud y frecuencia de la excitación, la
intensidad del flujo turbulento y la altura de la capa de agua. Con ello se espera poder validar
un modelo de aguas someras incluyendo disipación turbulenta.
Requerimientos: Conocimientos de métodos matemáticos de la física y/o mecánica del
continuo. Conocimientos básicos de Matlab.
Cupos: 2 estudiantes
Electronic address: [email protected]
Electronic address: [email protected]
[1] Ibrahim, R. A. Liquid sloshing dynamics: Theory and applications (Cambridge
University Press, 2005).
[2] Mayer, H., and Krechetnikov, R. Walking with coffee: Why does it spill?. Phys. Rev. E
85, 046117 (2012) [3] Guti´errez, P., and Aumaˆıtre, S. Surface waves propagating on a
turbulent flow. Phys. Fluids 28, 025107 (2016).
[4] Gallet B., and Young, W. R. Refraction of swell by surface currents. J. Mar. Res. 72,
105-126 (2014)
[5] Herczyn´ski, A., and Weidman P. D. Experiments on the periodic oscillation of free
containers driven by liquid sloshing. J. Fluid Mech. 693, 216-242 (2012)
[6] Tsai, W., and Hung, L. Enhanced energy dissipation by parasitic capillaries on short
gravity-capillary waves. J. Phys. Oceanogr. 40, 2435-2450 (2010).
[7] Bu¨hler,O. Wave-Vortex Interactions in Fluids and Superfluids. Annu. Rev. Fluid
Mech. 42, 205-228 (2010).
[8] Falcón, C., and Fauve, S. Wave-vortex interaction. Phys. Rev. E 80, 056213 (2009).
[9] Ermakov, S. A., Kapustin, I. A., and Shomina, O. V. Laboratory investigation of
damping of gravity-capillary waves on the surface of turbulized liquid. Izv. Atmos. Ocean
Phys. 50 204-2012 (2014)
[10] Savelsbergand, R., and van de Water, W. Experiments on free-surface turbulence. J.
Fluid Mech. 619, 95-125 (2009) [11] Vivanco, F., and Melo, F. Experimental study of
surface waves scattering by a single vortex and a vortex dipole. Phys. Rev. E 69, 026307
(2004)
[12] Bernal, R., Coste, C., Lund, F., and Melo, F. Normal-Mode-Vortex Interactions. Phys.
Rev. Lett. 89, 034501 (2002) [13] Olmez, H. S., and Milgram, J. H. An experimental study
of attenuation of short water waves by turbulence. J. Fluid Mech. 239, 133-156 (1992)
[14] Berry, M. V., Chambers, R. G., Large, M. D., Upstill, C., and Walmsley, J. C.
Wavefront dislocations in the AharonovBohm effect and its water wave analogue. Eur. J.
Phys 1, 154 (1980).
[15] Nye, J. F., and Berry, M. V. Dislocations in wave trains. Proc. R. Soc. London
AEˆ336, 165-190 (1974)
[16] Green, T., Medwin, H., and Paquin, J. E. Measurements of Surface Wave Decay
due to Underwater Turbulence. Nat. Phys. Sci 237 115-117 (1972).
[17] Boyev, A. G. The damping of surface waves by intense turbulence. Izv. Atmos.
Ocean Phys. 7, 31-36 (1971)
[18] Phillips, O. M. The scattering of gravity waves by turbulence. J. Fluid Mech. 5, 177-
192 (1959)
[19] Thielicke, W. and Stamhuis, E.J. PIVlab – Towards User-friendly, Affordable and
Accurate Digital Particle Image Velocimetry in MATLAB. Journal of Open Research
Software 2(1):e30, DOI: http://dx.doi.org/10.5334/jors.bl (2014).
Radiación de Hawking-Unruh en flujos transónicos: medición bidimensional y
matrices de transferencia
Profesores: Claudio Falcón, Nelson Zamorano, Fabián Sepúlveda
En un trabajo seminar, Unruh [1] encontó una manera creativa de conectar la condición
cinemática predicha por Hawking [2] sobre la radiación térmica generada en el horizonte de
eventos de un agujero negro con un análogo sónico proveniente de la mecánica de fluidos.
Esta relación puede usarse para superar la dificultad experimental de observar
astrofísicamente la radiación de Hawking in-situ. Desde entonces, varios análogos han sido
propuestos en el contexto de ondas superficiales de gravedad [3–5], condensados de Bose-
Einstein [6], ondas de spin en metales ferromagnéticos [7], ondas magnetohidrodinámicas
[8] y muchas más. En 2011 Unruh y co-investigadores [9] midieron la radiación estimulada
de Hawking (es decir, forzando el sistema para que ´este radi´e) en un análogo de agujero
blanco (reversión temporal de un agujero negro) usando ondas de superficiales de gravedad
en presencia de un contraflujo sobre un obstáculo en el fondo, que luego fue repetido por
diferentes grupos. El cambio de la profundidad causa un cambio en la velocidad del flujo v
y en la celeridad de la onda de gravedad c, creando un horizonte de eventos análogo que es
estimulado al enviarle un tren de ondas. Ondas cortas son generadas sobre el obstáculo por
el scattering de la onda larga enviada, que son analizadas mediante imágenes.
FIG. 1: Montaje experimental al cual se le implementara´ la t´ecnica de Schilieren sint´etico.
En esta Práctica de Verano, se plantea estudiar teórica y experimentalmente el scattering de
una onda superficial de gravedad en una configuración similar a la de Unruh [9] pero con
obstáculos laterales generando un cuello de botella (bottleneck) que acelera el flujo sin
cambiar la celeridad de la onda. Se plantea implementar una técnica de medición superficial
llamada Schlieren sintético [10] para medir las fluctuaciones locales en función de la
frecuencia de la onda enviada, el caudal del contraflujo, el espesor de la capa de agua y el
ancho de los obstáculos para construir el espectro de fluctuaciones. Además de esto se plantea
utilizar series de Bremmer para calcular los coeficientes de scattering perturbativamete [11]
y compararlos con el espectro medido. Los resultados esperados de este proyecto son la
construcción de un análogo hidrodinámico de un agujero negro/blanco utilizando cuellos de
botella caracterizado 2 en función de sus propiedades de scattering.
Requerimientos: Conocimientos básicos de Matlab
Cupos: 2 estudiantes.
Electronic address: [email protected]
[1] W. Unruh, Phys. Rev. Lett. 46, 1351–1353 (1981).
[2] S.W. Hawking, Nature 248 30-31 (1974)
[3] R. Schu¨tzhold and W. G. Unruh, Phys. Rev. D 66, 044019 (2002).
[4] F. Michel and R. Parentani, Phys. Rev. D 90, 044033 (2014).
[5] A. Coutant and S Weinfurtner, Phys. Rev. D 94, 064026 (2016).
[6] L. J. Garay, J. R. Anglin, J. I. Cirac and P. Zoller, Phys. Rev. Lett., 85(22), 4643
(2000); Phys. Rev. A 63, 023611 (2001).
[7] A. Rolda´n-Molina, A. S. Nun˜ez, and R. A. Duine, Phys. Rev Lett., 118(6), 061301
(2017).
[8] F. A. Asenjo and N. Zamorano, arXiv:1102.2625v1 (2011).
[9] S. Weinfurtner et al, Phys. Rev. Lett 106, 021302 (2011).
[10] S. Wildeman. Exp Fluids 59 97 (2018).
[11] A. Coutant and S Weinfurtner, Phys. Rev. D 94, 064026 (2016).
Desde Nanoislas a nanoalambres: Crecimiento de plata en superficies de grafito
Profesor: Marcos Flores Carrasco
Laboratorio de Superficies y Nanomateriales
Nanopartículas metálicas (M-Nps) soportadas en sustratos exhiben propiedades catalíticas
dependientes del tamaño, y varios de estos efectos de tamaño en catálisis heterogénea han
sido reportados en las últimas décadas. Es un hecho bien conocido que las M-Nps presentan
una variedad de estructuras, como facetas, bordes, esquinas, y defectos, consideradas como
sitios de alta reactividad. Además, los átomos interfaciales que interactúan con la superficie
del sutrato podrían ser cruciales para reacciones catalíticas debido a la interacción
interfacial y transferencia de carga entre la M-Nps y el sustrato. Por último, el
confinamiento espacial en Nps induce efectos cuánticos de tamaño, que conllevan la
formación de niveles electrónicos discretos, modificando notablemente las propiedades
catalíticas de las M-Nps.
En esta propuesta experimental se estudiará la formación de nanoislas de metálicas en
sustratos de HOPG. Las muestras serán evaporadas por método físico en condiciones de
alto vacío, controlando la formación de las nanoislas en función de parámetros como la tasa
de evaporación y el espesor depositado. El estudio de los depósitos, topografía y eléctrica,
se realizará mediante microscopía de puntas de prueba. Se espera determinar la evolución
de los recubrimientos desde la formación de nanoislas hasta su reorganización
conformando nanoalambres. En ello desea ver la influencia de los peldaños y como estos
moderan la formación de las estructuras.
Fig. 1: Identificación de aglomeraciones de plata sobre HOPG para distintos recubrimientos,
extraído desde las referencias.
Referencias:
[1] H.G. Kim et al., Chem. Mater. (2017), doi: 10.1021/acs.chemmater.6b05103.
[2] H-B-R. Lee et al., Nano Lett. (2013), doi: dx.doi.org/10.1021/nl303803p.
[3] G. Ndlovu, et al., Nanoscale Res Lett. (2012), doi: 10.1186/1556-276X-7-173.
[4] L.L. Wang, et al., Ultramicroscopy (2005), doi: 10.1016/j.ultramic.2005.06.009.
Nuevos materiales para la producción eficiente de hidrógeno
Jose Mella ([email protected]) / Francisco Munoz ([email protected])
El crecimiento de la civilización moderna ha ido de la mano con el uso de combustibles
fósiles, siendo uno de los grandes causantes del cambio climático. Posibles soluciones a
este problema han sido propuestos, como por ejemplo, el combustible a base de hidrógeno
(H2), que luego de hacer combustión, se convierte en H2O (agua), haciéndolo mucho más
amigable con el ambiente. Sin embargo, la producción industrial de este combustible está
directamente relacionado con el uso de combustibles fósiles, emitiendo gases de efecto
invernadero perjudiciales para la atmósfera,
Una manera alternativa de producir combustible de H2, es usando fotocatalizadores, que
mediante el uso de la luz solar, puede separar la molécula de agua y convertirla en H2,
emitiendo moléculas de oxígeno (ver Figura, obtenida de [1]). El objetivo de esta práctica,
usando cálculos de mecánica cuántica (DFT), es comprender y describir las condiciones
necesarias de algunos fotocatalizadores, como por ejemplo la molibdenita (MoS2), para
poder ser usados como herramientas productoras de H2, amigables con el ambiente y sin
emisiones de gases de invernadero [2].
[1] Gupta, Uttam, and C. N. R. Rao. "Hydrogen generation by water splitting using MoS2
and other transition metal dichalcogenides." Nano Energy 41 (2017): 49-65.
[2] Guo, Zhonglu, et al. "MXene: a promising photocatalyst for water splitting." Journal of
Materials Chemistry A 4.29 (2016): 11446-11452.
Fractalidad en nubes magnéticas
Profesor: Víctor Muñoz
Las nubes magnéticas son estructuras transientes que emergen del Sol, caracterizadas por
una gran y suave rotación del campo magnético. [1] Típicamente, una nube magnética se
puede identificar con mediciones satelitales al observar la evolución del campo. Durante
uno de estos eventos, se pueden identificar cuatro etapas: primero, una etapa dominada por
el viento solar de fondo, luego una sábana de plasmas que marca la transición a un tubo de
flujo, donde el campo magnético varía suavemente, y finalmente el viento solar de fondo
nuevamente.
En trabajos anteriores, hemos realizado estudios de dimensión fractal sobre series de
tiempo de campo magnético total correspondientes a nubes magnéticas [2], usando el
método de box counting [3], mostrando que este método permite identificar las diversas
etapas de la nube magnética, y por tanto podría ser una estrategia útil para su detección en
series de tiempo provenientes de satélites en el medio interplanetario. En esta propuesta,
deseamos profundizar este estudio al analizar la evolución de la dimensión fractal de las
tres componentes espaciales del campo magnético, y los campos de presión y densidad
asociados, con datos tomados de misiones tales como ACE y MESSENGER.
[1] L. F. Burlaga, E. Sittler, F. Mariani, and R. Schwenn, J. Geophys. Res. 86, 6673 (1981).
[2] V. Muñoz, M. Domínguez, J. A. Valdivia, S. Good, G. Nigro y V. Carbone, Nonlinear
Proc. Geophys. 25, 207-216 (201.
[3] M. Domínguez, V. Muñoz y J. A. Valdivia, J. Geophys. Res. 119,
10.1002/2013JA019433 (2014).
Modelo de crecimiento de redes complejas para actividad sísmica
Profesor: Víctor Muñoz
Las redes complejas ofrecen una interesante oportunidad para estudiar, desde una
perspectiva renovada, una gran diversidad de fenómenos emergentes desde un punto de
vista estadístico. En trabajos anteriores, hemos utilizado esta herramienta para estudiar
series de eventos sísmicos [1] y formación de patrones de densidad en plasmas de fusión
[2]. En este trabajo proponemos utilizar un modelo de redes complejas con crecimiento a
partir de un nodo inicial. Se estudiará la dependencia de las propiedades estadísticas de las
redes obtenidas para distintas estrategias de crecimiento, con el fin de establecer las
estrategias de crecimiento que reproduzcan de mejor manera las características de las redes
complejas obtenidas a partir de actividad sísmica observada en Chile.
[1] D. Pastén, F. Torres, B. Toledo, V. Muñoz, J. Rogan y J. A. Valdivia, Pure and Applied
Geophys. 173, 2267-2275 (2016).
[2] M. Castro, V. Muñoz, M. Domínguez, J. A. Valdivia, B. Hnat, S. C. Chapman y R. O.
Dendy, 16th Latin American Workshop on Plasma Physics, Ciudad de México, México, 4-
8 Septiembre 2017.
Motilidad de bacterias de suelo, experimentos y analice de datos usando software
Biotracker.
Postdoc encargada: Moniellen Pires Monteiro.
Los micro-nadadores biológicos están presentes en nuestra vida cotidiana, como la bacteria
flagelada Escherichia coli1 y los espermatozoides2. Su locomoción en un medio acuoso
esta determinada pela hidrodinámica de bajo numero de Reynolds y esta influenciada por el
ruido biológico térmico intrínseco. Una bacteria flagelada poco explorada es la
Bradyrhizobium diazoefficiens. Estas bacterias clasificadas como rizobios3, infectan las
raíces de las leguminosas donde forman nódulos fijadores de nitrógeno, lo que mejora el
crecimiento de la planta huésped. Esas bacterias ya se cultivan industrialmente y se aplican
en programas de agricultura sostenible en todo el mundo33,4. El desafío es optimizar todos
los procedimientos involucrados en el uso de este biofertilizante, desde la elección de cepas
bacterianas a inocular hasta los procedimientos de inoculacion, para garantizar que las
bacterias encuentren las raíces de las plantas y formen nódulos, que es clave en el
desarrollo de inoculantes comerciales con tasas de fijación de N altamente eficientes. Por lo
tanto, es importante comprender la dinámica de movimiento de las Bradyrhizobium
diazoefficiens.
En la práctica de verano el practicante aprenderá las técnicas de cultivo bacteriano. Ademas
usará dispositivos microfluidicos que simulan los poros del suelo y investigara la dinámica
de movimiento de las Bradyrhizobium diazoefficiens. Posteriormente usara un software de
trackeo de partículas para analizar los datos obtenidos en sus experimentos.
1- B.W. Park, J. Zhuang, O. Yasa, M. Sitii, ACS Nano 2017, 11, 8910.
2- M. U. Daloglu, et al. Light Sci. Appl 2018, 7.
3- E.J. Mongiardini, G.D. Parisi, J.I.Quelas, A.R. Lodeiro, Microbiol. Res. 2016, 90,
400.
4- Y. Liu, et al, Sci. Rep. 2017,7, 1.
Aceleración de electrones por ondas whistler en llamaradas solares.
Profesor guía: Mario Riquelme
Recientemente hemos mostrado [1] que los electrones pueden ser acelerados por la
inestabilidad whistler hasta energías “no térmicas”; es decir, hasta energías mucho mayores
que la del promedio de las partículas. Esta inestabilidad, que ocurre cuando los plasma son
sacados del equilibrio termodinámico, amplifica ondas whistler, las que aceleran a los
electrones interactuando con ellos de manera estocástica. Los electrones acelerados podrían
afectar dramáticamente el tipo de radiación que emiten varios sistemas astrofísicos donde se
observa radiación “no térmica” (es decir, radiación emitida por partículas aceleradas). En
este proyecto usaremos simulaciones de plasma con el método ‘‘particle-in-cell’’ (o PIC),
para estudiar la aceleración de electrones por ondas whistler en condiciones tipo corona solar,
donde la presión del campo magnético es mucho mayor que la presión de las partículas. El
proyecto busca conectar esta posible aceleración con el fenómeno de las llamaradas solares,
cuyo mecanismo de emisión (no térmica) es todavía una pregunta abierta [2].
El proyecto es numérico, e implicará
la ejecución y análisis de
simulaciones PIC, las que se correrán
desde el cluster Leftraru del NLHPC
(http://www.nlhpc.cl/es/). La mayor
parte del análisis de las simulaciones
se realizará utilizando Python.
Además de aprender sobre
simulaciones de plasma tipo PIC, se
espera sobre todo que el estudiante se
familiarice con el fenómeno de
aceleración de partículas en
astrofísica y entienda el rol que las
inestabilidades en plasmas pueden
jugar.
[1] Riquelme, M., Osorio, A., & Quataert, E. 2017, ApJ, 850, 113
[2] Chen, B., Bastian, T. S., Shen, C., Gary, D. L., Krucker, S., Glesener, L. 2015, Science,
350, 1238
Aceleración de iones por ondas ión-ciclotrón en discos de acreción en torno a
agujeros negros: rol de los núcleos de helio
Profesor guía: Mario Riquelme
Los llamados ‘‘rayos cósmicos’’ son partículas ultra-relativistas, principalmente iones, que
permean el espacio interestelar e intergaláctico, pero cuyo origen aún se desconoce. Aunque
su origen está posiblemente ligado a ondas de choque astrofísicas, la idea de que al menos
parte de los rayos cósmicos se originen en discos de acreción en torno a agujeros negros ha
ido paulatinamente ganando fuerza [1]. Recientemente hemos mostrado que, en este tipo de
ambientes, los iones pueden ser acelerados hasta energías relativistas debido a su interacción
con ondas ión-ciclotrón [2], sin embargo este estudio no incluyó la presencia de núcleos de
helio, los cuales son una componente importante en la composición de los rayos cósmicos.
La idea de este proyecto es entonces usar simulaciones de plasma tipo ‘‘particle-in-cell’’ (o
PIC) para determinar la eficiencia con que las ondas ión-ciclotrón pueden acelerar a los
núcleos de helio, y si la presencia de estos núcleos afecta la aceleración de los núcleos de
hidrógenos, los que constituyen la especie más abundante entre los rayos cósmicos.
El proyecto es numérico, e implicará la ejecución y análisis de simulaciones PIC, las que se
correrán desde el cluster Leftraru del NLHPC (http://www.nlhpc.cl/es/). La mayor parte del
análisis de las simulaciones se realizará utilizando Python. Además de aprender sobre
simulaciones de plasma tipo PIC, se espera sobre todo que el estudiante se familiarice con el
fenómeno de aceleración de partículas en astrofísica y entienda el rol que las inestabilidades
en plasmas pueden jugar.
[1] Kimura, S., Kengo, T., & Kohta, M. 2019, MNRAS, 485, 163
[2] Ley, F., Riquelme, M., Sironi, L., Verscharen, D., & Sandoval, A. 2019, ApJ, 800, 100
Supernovae Type Ia classifier code
Profesor Encargado: Domenico Sapone
Supernovae are classified based on the presence or absence of certain features in their optical
spectra taken near maximum light. They are broadly divided into 4 main Types, the naming
convention of which only makes
sense in historical context.
Supernovae were first categorised in
2 different types, those that showed
hydrogen (H) in their spectra: Type
II, and those that did not: Type I. In
the mid-1980s as the rate of
supernova discoveries increased and
data quality improved, Type I
supernovae were further sub-divided
based on the presence or absence of
silicon (Si) and helium (He) in their
spectra. Type Ia supernovae contain
an obvious Si absorption at 6150
Angstroms, Type Ib have no Si but
show He in emission, and Type Ic
display neither Si nor He. It was also
discovered that while Type Ia
supernovae could be found anywhere and in
any type of galaxy, Type Ib and Type Ic supernovae occurred primarily in populations of
massive stars, similar to Type IIs.
We now know that Type II, Type Ib and Type Ic supernovae result from the core-collapse of
massive stars, while Type Ia supernovae are the thermonuclear explosions of white dwarfs.
Type Ia Supernovae (SNIa) are widely used in cosmology because they are considered to be
standard candles, i.e. their luminosity curves can be standardized, see Fig. 1. Once the
luminosity L is defined and the flux F measured, then we can inferred the distance of the
SNIa by F = L/DL2, where DL is called luminosity distance and it is the main quantities used
in Cosmology to give estimates of the cosmological parameters, see [1].
Each object in a catalog will have its own luminosity pattern and peak. The work plan will
be to create a numerical code which is able to classify SNIa by observing their light curves
over a range of different objects in the Zwicky Transient Facility (ZTF) catalog [2]. The
student will have access to the catalog and the ALerRCE collaboration [3], which provides
the basic tools and the methodology for the proper classification, see Fig. 2.
Fig. 1. Luminosity of SNIa
[1] D. Sapone, Int. J. Mod. Phys. A 25, 5253 (2010). [arXiv:1006.5694 [astro-ph.CO]].
[2] https://www.ztf.caltech.edu/
[3] http://alerce.science/
Fig. 2. Classification example of a SNIa light curve