Diffusion in spatially and temporarily inhomogeneous media

In this paper we consider diffusion of a passive substance C in a temporarily and spatially inhomogeneous two-dimensional medium. As a realization for the latter we choose a phase-separating medium consisting of two substances A and B, whose dynamics is determined by the Cahn-Hilliard equation. Assuming different diffusion coefficients of C in A and B, we find that the variance of the distribution function of the said substance grows less than linearly in time. We derive a simple identity for the variance using a probabilistic ansatz and are then able to identify the interface between A and B as the main cause for this nonlinear dependence. We argue that, finally, for very large times the here temporarily dependent diffusion "constant" goes like t-1/3 to a constant asymptotic value D¿. The latter is calculated approximately by employing the effective-medium approximation and by fitting the simulation data to the said time dependence.

Design of Optical Systems With Extended Depth of Field: an Educational Approach to Wavefront Coding Techniques

A practical activity designed to introduce wavefront coding techniques as a method to extend the depth of field in optical systems is presented. The activity is suitable for advanced undergraduate students since it combines different topics in optical engineering such as optical system design, aberration theory, Fourier optics, and digital image processing. This paper provides the theoretical background and technical information for performing the experiment. The proposed activity requires students able to develop a wide range of skills since they are expected to deal with optical components, including spatial light modulators, and develop scripts to perform some calculations.

Seguimiento del aprendizaje mediante análisis de trazas en una simulación de trampas ópticas

En este artículo se presenta una simulación de una trampa óptica, es decir, un haz de luz muy focalizado capaz de atrapar partículas dieléctricas alrededor de la zona focal. El programa ha sido diseñado para su utilización en la docencia a nivel de último año del grado de Física o Máster. La aplicación incluye un sistema de seguimiento que permite conocer (trazar) la interacción del estudiante con el programa. Esta herramienta permitirá al profesor analizar el trabajo realizado por el alumno así como también detectar la presencia de errores comunes.

Diffusion in spatially and temporarily inhomogeneous media

In this paper we consider diffusion of a passive substance C in a temporarily and spatially inhomogeneous two-dimensional medium. As a realization for the latter we choose a phase-separating medium consisting of two substances A and B, whose dynamics is determined by the Cahn-Hilliard equation. Assuming different diffusion coefficients of C in A and B, we find that the variance of the distribution function of the said substance grows less than linearly in time. We derive a simple identity for the variance using a probabilistic ansatz and are then able to identify the interface between A and B as the main cause for this nonlinear dependence. We argue that, finally, for very large times the here temporarily dependent diffusion "constant" goes like t-1/3 to a constant asymptotic value D¿. The latter is calculated approximately by employing the effective-medium approximation and by fitting the simulation data to the said time dependence.

On the longitudinal component of paraxial fields

The analysis of paraxial Gaussian beams features in most undergraduate courses in laser physics, advanced optics and photonics. These beams provide a simple model of the field generated in the resonant cavities of lasers, thus constituting a basic element for understanding laser theory. Usually, uniformly polarized beams are considered in the analytical calculations, with the electric field vibrating at normal planes to the propagation direction. However, such paraxial fields do not verify the Maxwell equations. In this paper we discuss how to overcome this apparent contradiction and evaluate the longitudinal component that any paraxial Gaussian beam should exhibit. Despite the fact that the assumption of a purely transverse paraxial field is useful and accurate, the inclusion of the above issue in the program helps students to clarify the importance of the electromagnetic nature of light, thus providing a more complete understanding of the paraxial approach.

Optical-geometrical effects on the photoluminescence spectra of Si nanocrystals embedded in SiO2

We demonstrate that thickness, optical constants, and details of the multilayer stack, together with the detection setting, strongly influence the photoluminescence spectra of Si nanocrystals embedded in SiO2. Due to multiple reflections of the visible light against the opaque silicon substrate, an interference pattern is built inside the oxide layer, which is responsible for the modifications in the measured spectra. This interference effect is complicated by the depth dependence of (i) the intensity of the excitation laser and (ii) the concentration of the emitting nanocrystals. These variations can give rise to apparent features in the recorded spectra, such as peak shifts, satellite shoulders, and even splittings, which can be mistaken as intrinsic material features. Thus, they can give rise to an erroneous attribution of optical bands or estimate of the average particle size, while they are only optical-geometrical artifacts. We have analyzed these effects as a function of material composition (Si excess fraction) and thickness, and also evaluated how the geometry of the detection setup affects the measurements. To correct the experimental photoluminescence spectra and extract the true spectral shape of the emission from Si nanocrystals, we have developed an algorithm based on a modulation function, which depends on both the multilayer sequence and the experimental configuration. This procedure can be easily extended to other heterogeneous systems.

Spanning avalanches in the three-dimensional Gaussian random-field Ising model with metastable dynamics: Field dependence and geometrical properties

Spanning avalanches in the 3D Gaussian Random Field Ising Model (3D-GRFIM) with metastable dynamics at T=0 have been studied. Statistical analysis of the field values for which avalanches occur has enabled a Finite-Size Scaling (FSS) study of the avalanche density to be performed. Furthermore, a direct measurement of the geometrical properties of the avalanches has confirmed an earlier hypothesis that several types of spanning avalanches with two different fractal dimensions coexist at the critical point. We finally compare the phase diagram of the 3D-GRFIM with metastable dynamics with the same model in equilibrium at T=0.

Multiscaling and information content of natural color images

Naive scale invariance is not a true property of natural images. Natural monochrome images possess a much richer geometrical structure, which is particularly well described in terms of multiscaling relations. This means that the pixels of a given image can be decomposed into sets, the fractal components of the image, with well-defined scaling exponents [Turiel and Parga, Neural Comput. 12, 763 (2000)]. Here it is shown that hyperspectral representations of natural scenes also exhibit multiscaling properties, observing the same kind of behavior. A precise measure of the informational relevance of the fractal components is also given, and it is shown that there are important differences between the intrinsically redundant red-green-blue system and the decorrelated one defined in Ruderman, Cronin, and Chiao [J. Opt. Soc. Am. A 15, 2036 (1998)].

Determinació de la ubicació estructural dels ions Yb3+ i Nb3+ en Yb:RTP, Nb:RTP i (Nb,Yb):RTP

Estudi elaborat a partir d’una estada al Stony Brook University al juliol del 2006. El RbTiOPO4 (RTP) monocristal•lí és un material d' òptica no lineal molt rellevant i utilitzat en la tecnologia làser actual, químicament molt estable i amb unes propietats físiques molt destacades, entre elles destaquen els alts coeficients electro-òptics i l'alt llindar de dany òptic que presenta. En els últims anys s’està utilitzant tecnològicament en aplicacions d'òptica no lineal en general i electro-òptiques en particular. En alguns casos ja ha substituït, millorant prestacions, a materials tals com el KTP o el LNB(1). Dopant RTP amb ions lantànids (Ln3+) (2-4), el material es converteix en un material làser auto-doblador de freqüència, combinant les seves propietats no lineals amb les de matriu làser. El RTP genera radiació de segon harmònic (SHG) a partir d’un feix fonamental amb longituds d’ona inferiors a 990 nm, que és el límit que presenta el KTP.La determinació de la ubicació estructural i l’estudi de l'entorn local del ions actius làser és de fonamental importància per a la correcta interpretació de les propietats espectroscòpiques d’aquest material. Mesures de difracció de neutrons sobre mostra de pols cristal•lí mostren que els ions Nb5+ i Ln3+ només substitueixin posicions de Ti4+ (8-9). Estudis molt recents d'EPR (electron paramagnetic resonance) semblen indicar que quan la concentració d'ió Ln3+ es baixa, aquest ió presenta la tendència a substituir l'ió alcalí present a l'estructura (10).Després dels resultats obtinguts en el present treball a partir de la tècnica EXAFS a la instal•lació sincrotò del Brookhaven National Laboratory/State University of New York (Stony Brook) es pot concloure definitivament que els ions Nb s’ubiquen en la posició Ti (1) i que els ions Yb3+ es distribueixen paritariament en les dues posicions del Ti (1 i 2). Aquests resultats aporten una valuosa informació per a la correcta interpretació dels espectres, tant d’absorció com d’emissió, del material i per la avaluació dels paràmetres del seu comportament durant l'acció làser.

Empleo de óptica adaptativa y fluorescencia en un oftalmoscopio laser de barrido para el registro de células

Estudio elaborado a partir de una estancia en la Universidad de Rochester, Estados Unidos, de octubre del 2006 a enero del 2007. La estancia realizada en la Universidad de Rochester estuvo orientada al aprendizaje en profundidad del oftalmoscopio láser de barrido. El oftalmoscopio láser de barrido emplea una técnica confocal con la finalidad de visualizar diferentes estructuras retinianas en seres vivos. El instrumento diseñado y desarrollado en el Centro de Ciencias de la Visión incorpora un sistema de óptica adaptativa y fluorescencia. La óptica adaptativa aplicada en este oftalmoscopio tiene como objetivo corregir las aberraciones existentes en el ojo y así permitir observar detalles de la retina que de otra forma se verían emborronados. De esta forma se consigue alcanzar valores de resolución muy cercanos a los impuestos por difracción. Por otro lado el uso de fluorescencia tiene por objetivo el permitir la visualización de células y estructuras que, de no ser teñidas, son transparentes a la luz y visible. Esta técnica se ha estado utilizando principalmente en primates y ratas, aunque actualmente también se están llevando a cabo medidas de células de epitelio pigmentario en seres humanos ya que el pigmento contenido en estas células permite la aplicación de la fluorescencia sin necesidad de utilizar tinción.

Pure motives, mixed motives and extensions of motives associated to singular surfaces

We first recall the construction of the Chow motive modelling intersection cohomology of a proper surface X and study its fundamental properties. Using Voevodsky's category of effective geometrical motives, we then study the motive of the exceptional divisor D in a non-singular blow-up of X. If all geometric irreducible components of D are of genus zero, then Voevodsky's formalism allows us to construct certain one-extensions of Chow motives, as canonical subquotients of the motive with compact support of the smooth part of X. Specializing to Hilbert-Blumenthal surfaces, we recover a motivic interpretation of a recent construction of A. Caspar.

onductivitat tèrmica i índex de refracció no lineal dels compostos KRE(WO4)2 (RE=Gd,Y, Yb and Lu)

Projecte de recerca elaborat a partir d’una estada al Max Born Institute for Nonlinear Optics and Short Pulse Spectroscopy entre setembre i desembre 2007. Els materials monocristal•lins tungstats dobles de potassi i terra rara, KRE(WO4)2, a partir d'ara KREW, són en l'actualitat un material competitiu com a material actiu per sistemes de làser d'estat sòlid. Aquests materials monoclínics són fàcils de dopar amb altres densitats de ions lantànid, Ln3+, i a més presenten unes seccions eficaces d'absorció i d'emissió, molt elevades. Dins d’aquesta família, destaca el KLuW; degut als seus millors resultats com a material làser. Durant aquesta estada d’un mes al laboratori Max Born de Berlin, s’han realitzat les mesures de conductivitat tèrmica d’aquest material, per tal de obtenir el seu tensor de segon ordre de conductivitat tèrmica. El bombeig òptic dels materials làser d’estat sòlid genera calor com a resultat de la termalització en els multiplets, de les relaxacions no-radiatives i de les absorcions residuals (defectes, impureses). Per tant, el coneixement de les propietats tèrmiques de qualsevol material actiu és essencial pel disseny de la cavitat làser i l’avaluació de la funció làser, especialment en règims d’altes potències(...)

Simulations of parasitic and intrinsic capacitances related to Multiple-Gate-Field-Effect Transistor architectures

Report for the scientific sojourn carried out at the Université Catholique de Louvain, Belgium, from March until June 2007. In the first part, the impact of important geometrical parameters such as source and drain thickness, fin spacing, spacer width, etc. on the parasitic fringing capacitance component of multiple-gate field-effect transistors (MuGFET) is deeply analyzed using finite element simulations. Several architectures such as single gate, FinFETs (double gate), triple-gate represented by Pi-gate MOSFETs are simulated and compared in terms of channel and fringing capacitances for the same occupied die area. Simulations highlight the great impact of diminishing the spacing between fins for MuGFETs and the trade-off between the reduction of parasitic source and drain resistances and the increase of fringing capacitances when Selective Epitaxial Growth (SEG) technology is introduced. The impact of these technological solutions on the transistor cut-off frequencies is also discussed. The second part deals with the study of the effect of the volume inversion (VI) on the capacitances of undoped Double-Gate (DG) MOSFETs. For that purpose, we present simulation results for the capacitances of undoped DG MOSFETs using an explicit and analytical compact model. It monstrates that the transition from volume inversion regime to dual gate behaviour is well simulated. The model shows an accurate dependence on the silicon layer thickness,consistent withtwo dimensional numerical simulations, for both thin and thick silicon films. Whereas the current drive and transconductance are enhanced in volume inversion regime, our results show thatintrinsic capacitances present higher values as well, which may limit the high speed (delay time) behaviour of DG MOSFETs under volume inversion regime.

Expansió accelerada de l’univers i teories de gravetat modificada a grans escales

Estudi realitzat a partir d’una estada al Physics Department de la New York University, United States, Estats Units, entre 2006 i 2008. Una de les observacions de més impacte en la cosmologia moderna ha estat la determinació empírica que l’Univers es troba actualment en una fase d’Expansió Accelerada (EA). Aquest fenòmen implica que o bé l’Univers està dominat per un nou sector de matèria/energia, o bé la Relativitat General deixa de tenir validesa a escales cosmològiques. La primera possibilitat comprèn els models d’Energia Fosca (EF), i el seu principal problema és que l’EF ha de tenir propietats tan especials que es fan difícils de justificar teòricament. La segona possibilitat requereix la construcció de teories consistents de Gravetat Modificada a Grans Distàncies (GMGD), que són una generalització dels models de gravetat massiva. L’interès fenomenològic per aquestes teories també va resorgir amb l’aparició dels primers exemples de models de GMGD, com ara el model de Dvali, Gabadadze i Porrati (DGP), que consisteix en un tipus de brana en una dimensió extra. Malauradament, però, aquest model no permet explicar de forma consistent l’EA de l’Univers. Un dels objectius d’aquest projecte ha estat establir la viabilitat interna i fenomenològica dels models de GMGD. Des del punt de vista fenomenològic, ens hem centrat en la questió més important a la pràctica: trobar signatures observacionals que permetin distingir els models de GMGD dels d’EF. A nivell més teòric, també hem investigat el significat de les inestabilitats del model DGP.L’altre gran objectiu que ens vam proposar va ser la construcció de noves teories de GMGD. En la segona part d’aquest projecte, hem elaborat i mostrat la consistència del model “DGP en Cascada”, que generalitza el model DGP a més dimensions extra, i representa el segon model consistent i invariant-Lorentz a l’espai pla conegut. L’existència d’altres models de GMGD més enllà de DGP és de gran interès atès que podria permetre obtenir l’EA de l’Univers de forma purament geomètrica.