Electronic properties of Van der Waals heterostructures

L’interazione spin-orbita (SOI) nel grafene è attualmente oggetto di intensa ricerca grazie alla recente scoperta di una nuova classe di materiali chiamati isolanti topologici. Questi materiali, la cui esistenza è strettamente legata alla presenza di una forte SOI, sono caratterizzati dall’interessante proprietà di avere un bulk isolante ed allo stesso tempo superfici conduttrici. La scoperta teorica degli isolanti topologici la si deve ad un lavoro nato con l’intento di studiare l’influenza dell’interazione spin-orbita sulle proprietà del grafene. Poichè questa interazione nel grafene è però intrinsecamente troppo piccola, non è mai stato possibile effettuare verifiche sperimentali. Per questa ragione, vari lavori di ricerca hanno recentemente proposto tecniche volte ad aumentare questa interazione. Sebbene alcuni di questi studi abbiano mostrato un effettivo aumento dell’interazione spin-orbita rispetto al piccolo valore intrinseco, sfortunatamente hanno anche evidenziato una consistente riduzione della qualità del grafene. L’obbiettivo che ci si pone in questa tesi è di determinare se sia possibile aumentare l’interazione spin-orbita nel grafene preservandone allo stesso tempo le qualità. La soluzione proposta in questo lavoro si basa sull’utilizzo di due materiali semiconduttori, diselenio di tungsteno WSe2 e solfuro di molibdeno MoS2, utilizzati da substrato su cui sopra verrà posizionato il grafene formando così un’eterostruttura -nota anche di “van der Waal” (vdW)-. Il motivo di questa scelta è dovuto al fatto che questi materiali, appartenenti alla famiglia dei metalli di transizione dicalcogenuri (TMDS), mostrano una struttura reticolare simile a quella del grafene, rendendoli ideali per formare eterostrutture e ancora più importante, presentano una SOI estremamente grande. Sostanzialmente l’idea è quindi di sfruttare questa grande interazione spin-orbita del substrato per indurla nel grafene aumentandone così il suo piccolo valore intrinseco.

Stochastic dynamics on infinite and finite transport capacity networks: an operatorial approach

Nella tesi viene studiata la dinamica stocastica di particelle non interagenti su network con capacita di trasporto finita. L'argomento viene affrontato introducendo un formalismo operatoriale per il sistema. Dopo averne verificato la consistenza su modelli risolvibili analiticamente, tale formalismo viene impiegato per dimostrare l'emergere di una forza entropica agente sulle particelle, dovuta alle limitazioni dinamiche del network. Inoltre viene proposta una spiegazione qualitativa dell'effetto di attrazione reciproca tra nodi vuoti nel caso di processi sincroni.

Investigation of spectral stability of X-ray tubes by simulations and experimental spectrum measurements

L'obiettivo di questo lavoro è quello di analizzare la stabilità di uno spettro raggi X emesso da un tubo usurato per analisi cardiovascolari, in modo da verificare il suo comportamento. Successivamente questo tipo di analisi sarà effettuata su tubi CT. Per raggiungere questo scopo è stato assemblato un particolare set-up con un rivelatore al germanio criogenico in modo da avere la miglior risoluzione energetica possibile ed alcuni particolari collimatori così da ridurre il flusso fotonico per evitare effetti di pile-up. Il set-up è stato costruito in modo da avere il miglior allineamento possibile nel modo più veloce possibile, e con l'obiettivo di rendere l'intero sistema portabile. Il tubo usato è un SRM Philips tube per analisi cardiovascolari; questa scelta è stata fatta in modo da ridurre al minimo i fattori esterni (ottica elettromagnetica, emettitori) e concentrare l'attenzione solo sugli effetti, causati dalle varie esposizioni, sull'anodo (roughness e bending) e sul comportamento di essi durante il surriscaldamento e successivo raffreddamento del tubo. I risultati mostrano come durante un'esposizione alcuni fattori di usura del tubo possono influire in maniera sostanziale sullo spettro ottenuto e quindi alterare il risultato. Successivamente, nell'elaborato, mediante il software Philips di ricostruzione e simulazione dello spettro si è cercato di riprodurre, variando alcuni parametri, la differenza riscontrata sperimentalmente in modo da poter simulare l'instabilità e correggere i fattori che la causano. I risultati sono interessanti non solo per questo esperimento ma anche in ottica futura, per lo sviluppo di applicazioni come la spectral CT. Il passo successivo sarà quello di spostare l'attenzione su un CT tube e verificare se l'instabilità riscontrata in questo lavoro è persiste anche in una analisi più complessa come quella CT.

Embodied computation and life: building blocks for open-ended evolution

Il presente lavoro si propone di sviluppare una analogia formale tra sistemi dinamici e teoria della computazione in relazione all’emergenza di proprietà biologiche da tali sistemi. Il primo capitolo sarà dedicato all’estensione della teoria delle macchine di Turing ad un più ampio contesto di funzioni computabili e debolmente computabili. Mostreremo quindi come un sistema dinamico continuo possa essere elaborato da una macchina computante, e come proprietà informative quali l’universalità possano essere naturalmente estese alla fisica attraverso questo ponte formale. Nel secondo capitolo applicheremo i risultati teorici derivati nel primo allo sviluppo di un sistema chimico che mostri tali proprietà di universalità, ponendo particolare attenzione alla plausibilità fisica di tale sistema.

The arcuate fasciculus: an along-tract analysis with white matter probabilistic tractography

Il cervello umano è composto da una rete complessa, formata da fasci di assoni, che connettono le diverse aree cerebrali. Il fascio arcuato collega l’area imputata alla com- prensione del linguaggio con quella dedicata alla sua produzione. Il fascio arcuato è presente in entrambi gli emisferi cerebrali, anche se spesso è utilizzato prevalente- mente il sinistro. In questa tesi sono state valutate, in un campione di soggetti sani, le differenze tra fascio arcuato destro e sinistro, utilizzando la trattografia, metodica avanzata e non invasiva che permette la ricostruzione della traiettoria delle fibre con immagini RM (Risonanza Magnetica) pesate in diffusione. A questo scopo ho utilizzato un algoritmo probabilistico, che permette la stima di probabilità di connessione della fibra in oggetto con le diverse aree cerebrali, anche nelle sedi di incrocio con fibre di fasci diversi. Grazie all’implementazione di questo metodo, è stato possibile ottenere una ricostruzione accurata del fascio arcuato, an- che nell’emisfero destro dove è spesso critica, tanto da non essere possibile con altri algoritmi trattografici. Parametrizzando poi la geometria del tratto ho diviso il fascio arcuato in venti seg- menti e ho confrontato i parametri delle misure di diffusione, valutate nell’emisfero destro e sinistro. Da queste analisi emerge un’ampia variabilità nella geometria dell’arcuato, sia tra diversi soggetti che diversi emisferi. Nell’emisfero destro l’arcuato incrocia maggiormente fibre appartenenti ad altri fasci. Nell’emisfero sinistro le fibre dell’arcuato sono più compatte e si misura anche una maggiore connettività con altre aree del cervello coinvolte nelle funzioni linguistiche. Nella seconda fase dello studio ho applicato la stessa metodica in due pazienti con lesioni cerebrali, con l’obiettivo di testare il danno del fascio arcuato ipsilaterale alla lesione e stimare se nell’emisfero controlaterale si innescassero meccanismi di plastic- ità strutturale. Questa metodica può essere implementata, in un gruppo di pazienti omogenei, per identificare marcatori RM diagnostici nella fase di pianificazione pre- chirurgica e marcatori RM prognostici di recupero funzionale del linguaggio.

Caratterizzazione della Risposta Idrologica alle Precipitazioni nella Zona d’Innesco di un Debris Flow in Area Dolomitica (Bacino di Pezovico, Cortina d’Ampezzo, BL)

Il presente lavoro riguarda lo studio delle colate detritiche, fenomeno che rappresenta un importante argomento di studio sia per la sua caratterizzazione e analisi a livello scientifico che per attuare una corretta pianificazione e gestione del territorio. Nell’ambiente alpino, ed in particolare nell’area Dolomitica, le colate detritiche rappresentano un fenomeno complesso, le cui caratteristiche di velocità ed intensità, congiuntamente alla difficile previsione temporale, determinano l’alto grado di pericolosità che espone a rischi elevati infrastrutture e persone. Il monitoraggio delle colate detritiche assume quindi una notevole importanza nella determinazione delle condizioni idrologiche e morfologiche che inducono la generazione e la propagazione di tali fenomeni. Il presente lavoro ha come obiettivo la caratterizzazione della risposta idrologica nella zona d’innesco di un canale detritico, localizzato nella Conca Ampezzana. La caratterizzazione è stata definita attraverso l’analisi dei dati ottenuti dal monitoraggio eseguito mediante una stazione di rilevamento appositamente progettata e realizzata.

Valutazione del rischio idraulico, compreso il fallimento delle difese, mediante metodo probabilistico: rottura del Secchia del 19 gennaio 2014

Obbiettivo della tesi è sviluppare un metodo che valuti la probabilità di rottura arginale nella stesura delle mappe di pericolosità e di rischio alluvione. Ad oggi le mappe di pericolosità, redatte dagli enti regionali, considerano solo la probabilità di superamento dell’argine da parte del livello idrico (overtopping) e non il cedimento dello stesso a causa dell’instabilizzazione dovuta all’innalzamento del livello del fiume. Per la presente tesi si è scelto come caso di studio la rottura dell’argine destro del fiume Secchia del 19 gennaio 2014, presso la frazione di San Matteo, comune di Modena. Questo caso di rottura arginale è particolarmente interessante, poiché dopo l’accaduto la regione Emilia-Romagna ha predisposto una commissione tecnica per valutare le cause dell'evento. La commissione ha quindi predisposto una serie di indagini i cui dati saranno di fondamentale importanza nella presente tesi. Utilizzando, infatti, questo caso di cedimento arginale come esempio si è potuto innanzitutto ricostruire il fenomeno che ha provocato il fallimento dell’argine e ricalcolare il rischio inondazione sulle zone allagate considerando la probabilità di fallimento del sistema arginale. Per fare ciò, si sono inizialmente eseguite varie modellazioni idrauliche, sul corpo arginale, per stabilire gli spostamenti della tavola d’acqua e i valori di pressione interstiziale dei pori al variare dei tiranti idrici utilizzando il software SEEP/W. Successivamente si è utilizzato SLOPE/W allo scopo di verificate le probabilità di cedimento dell'argine in relazione alle modellazioni idrauliche effettuate con SEEP/W. Una volta ricavate le probabilità di rottura alle varie quote idriche con SLOPE/W, le si è riportate su un foglio di calcolo Excel e ricavata la curva di fragilità dell'argine e calcolato le probabilità di accadimento degli eventi alluvionali. Dopo di ciò attraverso l’utilizzo del software CA2D si sono modellate le mappe di alluvione per i vari eventi e con l’ausilio di Qgis si sono ricavate le mappe di pericolosità e calcolato il rischio sugli edifici interessati.

Fabrication of a New Multifunctional Interface Between La,Sr manganite and C60

In questo lavoro abbiamo sperimentato due modi diversi per ottenere un monolayer di C60 su La,Sr manganite (LSMO): desorbendo C60 da un campione di 5nm cresciuto su un substrato di LSMO e crescendo, sempre su LSMO, sei campioni di C60 a diversi spessori nominali. Il campione desorbito è stato analizzato mediante misure STS ed STM, mentre i campione cresciuti a diversi spessori sono stati misurati mediante non-cntact AFM. Ciò che è emerso in entrambi i casi è che le molecole di C60 non interagiscono con il substrato di LSMO. Nel primo caso infatti si è visto che è stato desorbito quasi tutto il C60 presente sul campione; la superficie della manganite risulta solo parzialmente ricoperta da molecole di C60. Nel secondo caso invece si nota che il C60 cresce formando isole che arrivano a ricoprire la superficie di LSMO solo per film dallo spessore nominale superiore a 30nm.

I terremoti storici hanno fatto più danni nella parte nord-occidentale di Bologna: ricerca di una spiegazione geofisica per questo fenomeno

Dallo studio della sismicità storica della città di Bologna (Guidoboni e Boschi, 2003) emerge che la maggior parte dei danni causati dai terremoti è concentrata nella parte Nord e Nord-Ovest della città, a nord delle attuali vie S. Donato e S. Isaia. In questo lavoro abbiamo studiato la risposta sismica in diversi siti del centro storico di Bologna, per capirne il comportamento in caso di terremoto e verificare se i risultati fossero compatibili con i dati storici. È stata effettuata una campagna di misure geofisiche: 52 con tecnica passiva a stazione singola HVSR per misurare le frequenze di amplificazione dei sottosuoli (47 all’interno delle mura), 5 in array per misurare l’andamento delle velocità delle onde di taglio nel sottosuolo (tutte all’interno delle mura). 22 delle 47 misure H/V mostrano amplificazione nell’intervallo di frequenze tra 1 e 10 Hz, quello di interesse per le strutture del centro storico. Le cause di queste amplificazioni si ipotizzano essere un livello ghiaioso a circa 10-15 m di profondità (Fiori, 2002) in approfondimento da centro città verso est, e un livello sabbioso a circa 10 m di profondità (Amorosi, 2014). Le misure in array, invece, indicano sostanzialmente che l’estremità orientale della città storica ha rigidezze maggiori a profondità maggiori di 50 m. Il dato derivante dalla sismologia storica, in sintesi, non pare essere completamente supportato da evidenze geologiche o geofisiche: la risposta sismica all’interno delle mura di Bologna varia leggermente da punto a punto, ma senza mostrare trend applicabili ad estese macroaree. Solo l’estremo Nord-Est della città ha un comportamento amplificativo più omogeneo (amplificazione a 1-3 Hz) in linea con la geologia locale, che presenta livelli marcatamente ghiaiosi sotto i 15 m di profondità. La variabilità geologica e di risposta sismica locale è stata verificata essere molto maggiore fuori dalle mura di cinta della città.

Comparison of radiobiological effects induced by ultra-high and standard dose rate of x-rays on a radio-resistant cell line

Radiotherapy (RT) has recently evolved with the emergence of heavy ion radiations or new fractionation schemes of photon therapy, which modify the dose rate of treatment delivery. The aim of the present study was then to evaluate the in vitro influence of a ultra-high dose rate comparing them with standard dose rate. In this regard, a radioresistant SK-MEL-28 cell line were irradiated with x-ray in order to have a total dose of 2 and 4 Gy, at two different dose rate. The ultra-high dose rate is a specific property of the dense plasma focus (DPF) device, which has pulsed operation and thus gives short and highly energetic pulses of multiple types of rays and particles, in this case, we focused our study on the influence of X-rays. While a low dose rate is obtained with conventional X-ray tube. In this study it results that a ultra-high dose rate enhances radiosensitivity of melanoma cells while reducing the adhesion, proliferation and migration ability of cells.

Study of the calibration method of pressure-velocity probes and its application in a field of progressive plane waves

This dissertation presents a calibration procedure for a pressure velocity probe. The dissertation is divided into four main chapters. The first chapter is divided into six main sections. In the firsts two, the wave equation in fluids and the velocity of sound in gases are calculated, the third section contains a general solution of the wave equation in the case of plane acoustic waves. Section four and five report the definition of the acoustic impedance and admittance, and the practical units the sound level is measured with, i.e. the decibel scale. Finally, the last section of the chapter is about the theory linked to the frequency analysis of a sound wave and includes the analysis of sound in bands and the discrete Fourier analysis, with the definition of some important functions. The second chapter describes different reference field calibration procedures that are used to calibrate the P-V probes, between them the progressive plane wave method, which is that has been used in this work. Finally, the last section of the chapter contains a description of the working principles of the two transducers that have been used, with a focus on the velocity one. The third chapter of the dissertation is devoted to the explanation of the calibration set up and the instruments used for the data acquisition and analysis. Since software routines were extremely important, this chapter includes a dedicated section on them and the proprietary routines most used are thoroughly explained. Finally, there is the description of the work that has been done, which is identified with three different phases, where the data acquired and the results obtained are presented. All the graphs and data reported were obtained through the Matlab® routine. As for the last chapter, it briefly presents all the work that has been done as well as an excursus on a new probe and on the way the procedure implemented in this dissertation could be applied in the case of a general field.

Network approaches for the analysis of resting state fMRI data

Negli ultimi anni la teoria dei network è stata applicata agli ambiti più diversi, mostrando proprietà caratterizzanti tutti i network reali. In questo lavoro abbiamo applicato gli strumenti della teoria dei network a dati cerebrali ottenuti tramite MRI funzionale “resting”, provenienti da due esperimenti. I dati di fMRI sono particolarmente adatti ad essere studiati tramite reti complesse, poiché in un esperimento si ottengono tipicamente più di centomila serie temporali per ogni individuo, da più di 100 valori ciascuna. I dati cerebrali negli umani sono molto variabili e ogni operazione di acquisizione dati, così come ogni passo della costruzione del network, richiede particolare attenzione. Per ottenere un network dai dati grezzi, ogni passo nel preprocessamento è stato effettuato tramite software appositi, e anche con nuovi metodi da noi implementati. Il primo set di dati analizzati è stato usato come riferimento per la caratterizzazione delle proprietà del network, in particolare delle misure di centralità, dal momento che pochi studi a riguardo sono stati condotti finora. Alcune delle misure usate indicano valori di centralità significativi, quando confrontati con un modello nullo. Questo comportamento `e stato investigato anche a istanti di tempo diversi, usando un approccio sliding window, applicando un test statistico basato su un modello nullo pi`u complesso. Il secondo set di dati analizzato riguarda individui in quattro diversi stati di riposo, da un livello di completa coscienza a uno di profonda incoscienza. E' stato quindi investigato il potere che queste misure di centralità hanno nel discriminare tra diversi stati, risultando essere dei potenziali bio-marcatori di stati di coscienza. E’ stato riscontrato inoltre che non tutte le misure hanno lo stesso potere discriminante. Secondo i lavori a noi noti, questo `e il primo studio che caratterizza differenze tra stati di coscienza nel cervello di individui sani per mezzo della teoria dei network.

Origine dell'associazione peridotiti-migmatiti-gneiss nel basamento Varisico della Zona d'Ultimo, Austroalpino superiore

Per investigare il ruolo del contrasto di densità fra rocce crostali e mantelliche, nell’origine dell’associazione peridotiti-migmatiti-gneiss della Zona d’Ultimo (Austroalpino superiore, Italia), durante l’orogenesi Varisica, sono stati studiati tre diversi litotipi provenienti dall’area in esame. Mediante l’utilizzo del software Perple_X, sono state modellizzate le condizioni P-T di equilibrio di: un paragneiss a granato e staurolite di grado metamorfico medio, un fels a granato prodotto per fusione parziale ed estrazione del fuso dalla roccia sorgente (restite), e una peridotite ad anfibolo rappresentativa del cuneo di mantello. A partire dalle peridotiti, sono state calcolate condizioni metamorfiche di picco per la Zona d’Ultimo di 900 °C e 13 kbar, in facies granulitica, confrontabili con profondità di circa 40-50 km. In queste condizioni, le peridotiti ad anfibolo presentano una densità di 3230 kg/m3, nettamente inferiore rispetto a quanto calcolato per il campione di restite, cioè 3730 kg/m3. In particolare, è stato calcolato che è necessario estrarre dalla roccia sorgente una quantità di fuso pari al 10-12 wt.%, per generare un residuo refrattario di densità equivalente alle peridotiti idrate. La differenziazione fra neosoma e paleosoma, prodotta dalla fusione parziale, può generare quindi una situazione di instabilità fra crosta e mantello, a causa del contrasto di densità fra le rocce poste a contatto. Per effetto di questa instabilità, possono verificarsi meccanismi duttili di trasferimento di massa, con inclusione di lenti di peridotiti all’interno della crosta, all’interfaccia fra lo slab continentale in subduzione ed il cuneo di mantello, ma anche, in caso di crosta inspessita, in corrispondenza della transizione crosta profonda-mantello litosferico (Moho) nella upper plate.

Il terremoto del 24 agosto 2014 a Napa (California, USA): rilievo degli effetti di sito

Il lavoro di questa tesi è frutto dell’esperienza maturata in quattro mesi di tirocinio presso l’U.S. Geological Survey di Menlo Park, da ottobre 2015 a gennaio 2016. Durante questo periodo sono state eseguite quattro campagne di raccolta dati sismici e geotecnici presso la città di Napa, ove, il 24 agosto 2014, si è verificato un terremoto di magnitudo momento pari a 6.0. Quest’area è stata interessata in precedenza da terremoti minori, il più significativo dei quali risulta essere il terremoto di Yountville del 2000 di magnitudo momento pari a 5.1. I rilievi macrosismici, effettuati immediatamente dopo il terremoto di Napa del 2014, hanno fornito una classificazione dettagliata delle strutture danneggiate nel distretto colpito. Obiettivo di questa tesi è comprendere se la distribuzione dei danni osservata sia legata anche alle caratteristiche geologiche locali (effetti di sito), oltre che alla vicinanza all’epicentro. A questo scopo sono state acquisite 63 misure sismiche passive a stazione singola e 4 prove di sismica attiva multicanale, la cui inversione congiunta ha permesso di creare mappe dei riflettori sismici principali sotto le zone interessate dal terremoto. Allo stesso tempo tali mappe, interpretate alla luce della cartografia geologica, hanno permesso di costruire sezioni geologiche e di identificare le corrispondenze tra riflettori geologici e riflettori sismici. Si è così potuto osservare che le zone più pesantemente danneggiate dal terremoto sono quelle che ricadono ove si sono misurate amplificazioni per risonanza in medio-alta frequenza (> 3 Hz) mentre scarsi danni si sono registrati nelle aree caratterizzate da roccia affiorante (e curve di amplificazione per risonanza piatte) e danni minori nelle zone contraddistinte solo da bedrock sismico profondo. La distribuzione del danno, evidenziatosi prevalentemente dove le frequenze proprie di vibrazione del suolo sono mediamente sopra 3 Hz, risulta compatibile con gli intervalli di frequenza attesi per le strutture residenziali tipiche di Napa Valley, che sono costituite da 2-3 piani fuori terra, in legno e di altezza non superiore ai 10 metri.

Caratterizzazione, analisi a ritroso e di stabilità attuale di uno scorrimento traslativo in Marnoso Arenacea (Casola Valsenio, RA)

Il lavoro di tesi consiste nella caratterizzazione, nell’analisi a ritroso e di stabilità attuale di un fenomeno franoso avvenuto a Casola Valsenio, in provincia di Ravenna. La caratterizzazione è comprensiva di analisi geomorfologica dell’area, indagine sismo-stratigrafica e indagine geotecnica di laboratorio. Quindi è stato definito il meccanismo di rottura della frana e sono stati cartografati gli elementi morfologici costituenti l’area di frana. L’indagine geofisica si basa su tecniche ad onde di superficie e include misure tromografiche di rumore sismico ambientale e misure attive multicanale. Queste forniscono, rispettivamente, le curve H/V e gli spettri di velocità di fase e di gruppo, dalle quali è possibile ricavare informazioni di carattere stratigrafico. La caratterizzazione fisico meccanica del materiale pelitico marnoso, prelevato sul piano di scorrimento basale, include analisi granulometrica, determinazione dei limiti di consistenza e test di taglio anulare per ottenere il valore di angolo di attrito residuo. Le informazioni ottenute dalle indagini hanno consentito di definire il modello geologico tecnico del fenomeno, che viene rappresentato rispetto a quattro sezioni, tre relative alla situazione attuale e una relativa al versante prefrana. Sulla base di questi sono state condotte delle analisi a ritroso, che hanno consentito di ricavare le condizioni idrauliche del versante al momento della rottura, per differenti combinazioni di geometria del cuneo e diagramma di spinta dell’acqua. Grazie ai risultati ottenuti in modalità backward, sono state effettuate le analisi di stabilità della scarpata attuale, aventi lo scopo di determinare la distanza orizzontale tra scarpata e frattura di trazione che determinerebbe una situazione di instabilità. Infine sono state condotte analisi di sensitività rispetto ai parametri geometrici del cuneo, di resistenza del materiale e di riempimento idraulico della frattura dii trazione.