Functionals for TDDFT description of electron transport in nanostructures

La Teoria di Densità Funzionale (DFT) e la sua versione dipendente dal tempo (TDDFT) sono strumenti largamente usati per simulare e calcolare le proprietà statiche e dinamiche di sistemi con elettroni interagenti. La precisione del metodo si basa su una serie di approssimazioni degli effetti di exchange correlation fra gli elettroni, descritti da un funzionale della sola densità di carica. Nella presente tesi viene testata l'affidabilità del funzionale Mixed Localization Potential (MLP), una media pesata fra Single Orbital Approximation (SOA) e un potenziale di riferimento, ad esempio Local Density Approximation (LDA). I risultati mostrano capacità simulative superiori a LDA per i sistemi statici (curando anche un limite di LDA noto in letteratura come fractional dissociation) e dei progressi per sistemi dinamici quando si sviluppano correnti di carica. Il livello di localizzazione del sistema, inteso come la capacità di un elettrone di tenere lontani da sé altri elettroni, è descritto dalla funzione Electron Localization Function (ELF). Viene studiato il suo ruolo come guida nella costruzione e ottimizzazione del funzionale MLP.

Costruzione di un filtro ottimale per la ricerca di ammassi di galassie in survey fotometriche

Gli ammassi di galassie sono le strutture più grandi che possiamo osservare nell’Universo. La loro formazione deriva direttamente dalla crescita delle perturbazioni primordiali di densità e dal loro conseguente collasso gravitazionale indotto appunto dalla gravità. Gli ammassi di galassie sono molto importanti in Astrofisica in quanto possono essere considerati come dei laboratori per lo studio di molti aspetti fisici legati al gas, all’ICM e all’evoluzione delle galassie. Lo studio degli ammassi di galassie è molto importante anche per la Cosmologia in quanto è possibile effettuare delle stime sui parametri cosmologici ed ottenere dei vincoli sulla geometria dell’Universo andando a valutare la loro massa e la loro distribuzione nell’Universo. Diventa quindi fondamentale l’utilizzo di algoritmi che ci permettano di utilizzare i dati ottenuti dalle osservazioni per cercare ed individuare gli ammassi di galassie in modo tale da definire meglio la loro distribuzione nell’Universo. Le più recenti survey di galassie ci forniscono molteplici informazioni a riguardo delle galassie, come ad esempio la loro magnitudine in varie bande osservative, il loro colore, la loro velocità ecc. In questo lavoro abbiamo voluto testare la performance di un algoritmo Optimal Filtering nella ricerca degli ammassi di galassie utilizzando prima solo l’informazione della magnitudine delle galassie e successivamente anche l’informazione sul loro colore. Quello che abbiamo voluto fare, quindi, è stato valutare se l’utilizzo combinato della magnitudine delle galassie e del loro colore permette all’algoritmo di individuare più facilmente, e in numero maggiore, gli ammassi di galassie.

Caratterizzazione sperimentale di sistemi di localizzazione a banda ultra-larga

Il processo di localizzazione risponde all'esigenza dell'uomo di avere una percezione sempre più dettagliata e precisa del contesto in cui si trova, con l'intento di migliorare e semplificare l'interazione con oggetti e cose ivi presenti. L'idea attuale è quella di progettare sistemi di posizionamento con particolare riguardo agli ambienti indoor, caratterizzati da proprietà e densità di elementi che limitano fortemente le prestazioni dei consolidati sistemi di tracking, particolarmente efficienti in spazi aperti. Consapevole di questa necessità, il seguente elaborato analizza le prestazioni di un sistema di localizzazione sviluppato dall'Università di Bologna funzionante in tecnologia Ultra-Wide Bandwidth (UWB) e installato nei laboratori DEI dell'Alma Mater Studiorum con sede a Cesena. L'obiettivo è quello di caratterizzare l'accuratezza di localizzazione del sistema, suggerendo nuovi approcci operativi e de�finendo il ruolo dei principali parametri che giocano nel meccanismo di stima della posizione, sia in riferimento a scenari marcatamente statici sia in contesti in cui si ha una interazione dinamica degli oggetti con lo spazio circostante. Una caratteristica della tecnologia UWB è, infatti, quella di limitare l'errore di posizionamento nel caso di localizzazione indoor, grazie alle caratteristiche fisiche ed elettriche dei segnali, aprendo nuovi scenari applicativi favorevoli in termini economici, energetici e di minore complessità dei dispositivi impiegati.

Formulazione e caratterizzazione di geopolimeri come nuovi materiali refrattari

Il presente lavoro di tesi è finalizzato all'ottimizzazione della formulazione iniziale e delle condizioni di stagionatura per ottenere un materiale utilizzabile come refrattario in applicazioni che richiedono elevate temperature di esposizione. L’interesse della ricerca scientifica verso questa nuova classe di materiali nasce dai vantaggi ambientali ed economici che essi possono fornire. Inoltre, le buone proprietà di resistenza e stabilità termica evidenziate dagli studi condotti negli ultimi anni inducono a sperimentare l’impiego dei materiali geopolimerici in sostituzione dei materiali refrattari o cementiferi attualmente in commercio. A tal fine sono state determinate le caratteristiche fisico-meccaniche, microstrutturali e termiche di matrici geopolimeriche additivate con scarti refrattari. Lo studio svolto, si può suddividere in tre fasi successive. Inizialmente sono state ottimizzazione le formulazioni geopolimeriche. Successivamente i prodotti ottenuti sono stati oggetto di caratterizzazione fisico-meccanica, microstrutturale e termica. Tali caratterizzazioni sono state eseguite attraverso: analisi al microscopio ottico, assorbimento di acqua, determinazione della densità geometrica, prove ultrasoniche per la determinazione dell’omogeneità del materiale, resistenza meccanica a compressione, diffrattometria ai raggi X (XRD), microscopio riscaldante, ciclo termico in muffola e analisi dilatometriche. Nella terza fase sono stati analizzati ed elaborati i risultati ottenuti, evidenziando le soddisfacenti proprietà di stabilità e resistenza termica. È stata inoltre effettuata una analisi economica preliminare evidenziando la competitività nel marcato del sistema geopolimerico studiato. Se a questo si aggiungono i considerevoli benefici ambientali dovuti al fatto che il prodotto è ottenuto con sostanze di recupero, non sarebbe sorprendente che in un futuro prossimo i geopolimeri possano essere largamente prodotti e commercializzati.

In silico methods to evaluate Fracture Risk and Bone Mineral Density changes in patients undergoing Total Hip Replacement

La sostituzione totale d’anca è uno degli interventi chirurgici con le più alte percentuali di successo. Esistono due varianti di protesi d’anca che differiscono in base al metodo di ancoraggio all’osso: cementate (fissaggio tramite cemento osseo) e non cementate (fissaggio tramite forzamento). Ad oggi, i chirurghi non hanno indicazioni quantitative di supporto per la scelta fra le due tipologie di impianto, decidendo solo in base alla loro esperienza. Due delle problematiche che interessano le protesi non cementate sono la possibilità di frattura intra-operatoria durante l’inserimento forzato e il riassorbimento osseo nel periodo di tempo successivo all’intervento. A partire da rilevazioni densitometriche effettuate su immagini da TC di pazienti sottoposti a protesi d’anca non cementata, sono stati sviluppati due metodi: 1) per la valutazione del rischio di frattura intra-operatorio tramite analisi agli elementi finiti; 2) per la valutazione della variazione di densità minerale ossea (tridimensionalmente attorno alla protesi) dopo un anno dall’operazione. Un campione di 5 pazienti è stato selezionato per testare le procedure. Ciascuno dei pazienti è stato scansionato tramite TC in tre momenti differenti: una acquisita prima dell’operazione (pre-op), le altre due acquisite 24 ore (post 24h) e 1 anno dopo l’operazione (post 1y). I risultati ottenuti hanno confermato la fattibilità di entrambi i metodi, riuscendo inoltre a distinguere e a quantificare delle differenze fra i vari pazienti. La fattibilità di entrambe le metodologie suggerisce la loro possibilità di impiego in ambito clinico: 1) conoscere la stima del rischio di frattura intra-operatorio può servire come strumento di guida per il chirurgo nella scelta dell’impianto protesico ottimale; 2) conoscere la variazione di densità minerale ossea dopo un anno dall’operazione può essere utilizzato come strumento di monitoraggio post-operatorio del paziente.

Traduzione dell'aforisma

L’aforisma è un genere letterario che fa della brevità il suo carattere distintivo, le sue caratteristiche principali, infatti, si rifanno tutte a questa sua natura. Solitamente composto da non più di qualche parola, l’aforisma si contraddistingue per la densità e apertura di significato (Gatica Cote, 2015): densità perché in poche righe si concentra tutto il messaggio espresso, che in generale è breve e intenso, e apertura poiché, proprio per la sua concisione, questa forma testuale è facilmente soggetta a diverse interpretazioni, si richiede infatti al lettore di aforismi di ricostruirne l’intenzione comunicativa, che a volte può apparire oscura, e di rimettere insieme i pezzi per decifrare il messaggio. L’aforisma può essere definito una sorta di minimalismo artistico (Martínez, 2012) in cui il massimo viene espresso con il minimo. La concisione, l’isolamento testuale, l’uso della prosa e l’assenza di narrativa (Gatica Cote, 2015) sono tutte caratteristiche tipiche che si possono associare all’aforisma e che lo definiscono.

Righe spettrali: formazione, shift ed allargamento

In questo breve elaborato si vuole spiegare l’importanza dello studio di un corpo celeste mediante l’osservazione del suo spettro ovvero un grafico del flusso emesso in funzione della frequenza o della lunghezza d’onda nel quale sono presenti righe spettrali, formate dall’interazione tra materia e radiazione, a causa dell’assorbimento od emissione di fotoni a seguito di transizioni elettroniche, ma anche vibrazionali e rotazionali per le molecole. In particolare, dall’analisi delle righe spettrali si traggono diverse informazioni sull’oggetto, quali, la composizione e l’abbondanza delle specie chimiche che lo compongono in base al tipo di righe presenti e alla loro intensità, si deduce la temperatura e la pressione dell’oggetto studiato dalla larghezza di queste, ancora, informazioni sul moto relativo e la distanza dall’osservatore misurando lo shift delle righe; infine densità e campi magnetici del mezzo interstellare. Per molti oggetti astronomici, troppo distanti, lo studio dello spettro è l’unico modo per trarre conclusioni sulla loro natura. Per questo, nel primo capitolo si ricava l’equazione del trasporto radiativo, soffermandosi sui processi che regolano l’assorbimento e l’emissione di energia. Il secondo capitolo invece, tratta il caso particolare delle atmosfere stellari, nel quale si ricava, con una serie di approssimazioni fatte sull’equazione del trasporto radiativo, quale parte osserviamo di una stella e dove si formano le righe spettrali. Successivamente ci si è concentrati sui meccanismi che portano alla formazione delle righe spettrali, analizzando sia le transizioni radiative con i coefficienti di Einstein, sia quelle collisionali, e distinguendo tra transizioni permesse o proibite con le regole di selezione. Infine si sono esaminate le informazioni che si possono ricavare dalle righe spettrali, approfondendo sui fenomeni di shift e modifica di queste, descrivendo più nel dettaglio la riga a 21 cm dell’atomo di idrogeno, fondamentale in astrofisica.

Le Blue Straggler Stars e le popolazioni multiple in quattro ammassi globulari galattici

In questo elaborato viene presentato lo studio fotometrico di quattro ammassi globulari galattici. I target di questa Tesi fanno parte della HST UV Legacy Survey degli ammassi globulari galattici (Piotto et al. 2015). Nell'ambito di questa survey sono stati osservati, in modo omogeneo, 57 ammassi globulari galattici con il telescopio spaziale Hubble e la camera WFC3, in tre bande fotometriche ultraviolette e blu. Un dataset così composto è adatto a numerosi scopi, tra cui lo studio delle popolazioni calde come le BSS e delle popolazioni multiple. Sono stati selezionati quattro ammassi particolarmente popolosi e tra i più densi del campione, allo scopo di mettere a punto indicatori di evoluzione dinamica e comprendere il ruolo di quest'ultima sulle proprietà delle popolazioni multiple presenti nei sistemi selezionati. Lo studio dell'evoluzione dinamica è stato effettuato tramite la distribuzione radiale delle BSS (Blue Straggler Stars), che è stato dimostrato esserne un efficiente indicatore (Ferraro et al. 2012). I risultati ottenuti evidenziano chiaramente che tutti gli ammassi selezionati si trovano in fasi avanzate di evoluzione dinamica, come suggerito dall'alta densità che li caratterizza. Anche lo studio delle proprietà delle popolazioni multiple, ovvero sottopopolazioni con differenti abbondanze chimiche di elementi leggeri, la cui presenza è stata recentemente osservata negli ammassi globulari, è stato effettuato tramite lo studio della loro distribuzione radiale. Tra i quattro casi analizzati, soltanto M 15 ha mostrato una separazione significativa tra le distribuzioni radiali delle due popolazioni.

MOND e TeVeS: teorie alternative all'ipotesi di materia oscura

In questa tesi descriviamo due teorie, la MOND e la TeVeS, che si pongono come alternativa all’ipotesi dell’esistenza della materia oscura. Seguendo l’ordine storico degli eventi, nel primo capitolo presentiamo i dati sperimentali e le considerazioni teoriche che hanno convinto gli scienziati del ’900 che la massa osservata nell’Universo sia minore della massa dinamica inferita dalla fisica newtoniana e dalla Relatività Generale. Il primo tentativo di risolvere questo problema è consistito nell’ipotizzare l’esistenza di una materia non ancora osservata, divenuta nota come “materia oscura”. Affrontando le questioni sollevate dalle curve di rotazione delle galassie a spirale, dalla relazione di Tully-Fisher, dalla legge di Freeman e dalle fluttuazioni della radiazione cosmica di fondo, vedremo come questa ipotesi si sia evoluta per tenere conto dei risultati sperimentali, a partire dal modello della sfera isoterma fino al modello ΛCDM, e i problemi che essa non risolve. Nel secondo capitolo descriviamo la MOND, una modifica della dinamica newtoniana nata con l’obiettivo di ridurre la quantità di materia oscura necessaria per descrivere l’Universo. Il problema della massa nascosta può, infatti, essere dovuto a un’incompleta comprensione delle leggi della fisica e, confrontando la MOND con i dati sperimentali presentati nel primo capitolo, vedremo come essa riesca a descrivere la dinamica su scale galattiche ed extragalattiche. Concluderemo il capitolo mostrando una densità di lagrangiana capace di riprodurre la formula fenomenologica della MOND. Per affrontare le questioni cosmologiche è necessario disporre di una teoria relativistica che recuperi la MOND nel limite di campo debole. Nel terzo capitolo trattiamo quindi la TeVeS, riportando le azioni che permettono di derivare le equazioni dei campi di tale teoria. Dopo averne studiato i limiti relativistici e non relativistici, accenneremo a come essa permetta di estendere il paradigma MOND in campo cosmologico.

I Wormholes ed il loro impiego per il viaggio interstellare

Viaggiare da un punto all'altro dell'universo muovendosi in uno spazio-tempo piatto richiede tempi talmente colossali da risultare impossibile per la nostra razza; pertanto, un viaggio interstellare potrebbe essere realizzato solo per mezzo di topologie relativistiche in grado di accorciare la distanza fra i punti dell'universo. Dopo aver dato una serie di motivazioni per cui i buchi neri ed il ponte di Einstein-Rosen non sono adatti ad essere impiegati viene introdotta una particolare classe di soluzioni, presentata per la prima volta da Michael S. Morris e Kip S. Thorne, delle equazioni di Einstein: essa descrive wormholes i quali, almeno in linea di principio, risultano attraversabili dagli esseri umani in quanto non presentano un orizzonte degli eventi sulla gola. Quest'ultima proprietà, insieme alle equazioni di campo di Einstein, pone dei vincoli piuttosto estremi sul tipo di materiale in grado di dar luogo alla curvatura spazio-temporale del wormhole: nella gola del wormhole la materia deve possedere una tensione radiale di enorme intensità, dell'ordine di quella presente nel centro delle stelle di neutroni più massive per gole con un raggio di appena qualche kilometro. Inoltre, questa tensione dev'essere maggiore della densità di energia del materiale: ad oggi non si conosce alcun materiale con quest'ultima proprietà, la quale viola entrambe le "condizioni sull'energia" alla base di teoremi molto importanti e verificati della relatività generale. L'esistenza di questa materia non può essere esclusa a priori, visto che non esiste prova sperimentale o matematica della sua irrealisticità fisica, ma non essendo mai stata osservata è importante assicurarsi di impiegarne il meno possibile nel wormhole: questo ci porterà a mostrare che i wormholes in cui il materiale esotico presenta una densità di energia negativa per gli osservatori statici sono i più adatti al viaggio interstellare.

Informazione quantistica e decoerenza: il caso dei qubit in centri NV

Lo scopo di questa tesi triennale è quello di fornire un'introduzione ad alcuni concetti della computazione quantistica e comprenderne i fenomeni fisici che ne stanno alla base, dall'idea astratta di qubit fino ai più recenti studi sui centri NV, passando attraverso appropriati strumenti matematici. Recentemente si è realizzato che l'uso delle proprietà della meccanica quantistica può migliorare drasticamente le velocità di calcolo. È quindi cresciuto l'interesse nel campo dell'informazione quantistica. Tra le principali difficoltà vi è il fenomeno della decoerenza, responsabile della distruzione degli stati di sovrapposizione quanto-meccanici. Studiamo la dinamica dei sistemi quantistici aperti, soffermandoci sugli aspetti della loro evoluzione rilevanti nel passaggio dal mondo quantico al classico. A tal fine, e per una migliore comprensione della decoerenza, ricaviamo l'equazione master cui deve obbedire la matrice di densità nel noto modello di Jaynes-Cummings per l'interazione ambiente-sistema. In particolare, descriviamo come un ristretto set di manipolazioni sul sistema ci permetta di proteggerlo dalla decoerenza e come tale tecnica, detta disaccoppiamento dinamico, si rivela un utile strumento per la realizzazione di gates quantistici nel caso dei qubit implementati sfruttando i cosiddetti centri NV del diamante.

Analisi e progetto del convertitore risonante LLC

Questa tesi tratta del convertitore risonante LLC. Tutte le varie condizioni di funzionamento sono state accuratamente simulate e si è analizzato nel dettaglio le forme d'onda del convertitore, individuando anche una possibile procedura di sintesi progettuale. Il convertitore di tipo LLC è particolarmente adatto a realizzare alimentatori ad elevata densità di potenza grazie alla possibilità di operare a frequenze molto elevate in virtù delle basse perdite di commutazione, con conseguente vantaggio per gli ingombri ridotti degli elementi filtranti. Inoltre la doppia induttanza prevista altro non è che un unico trasformatore che si deve appositamente costruire con le induttanze di dispersione e magnetizzazione previste in sede di progetto, per cui si tratta di un convertitore con isolamento e a minimo numero di componenti. Sebbene la comprensione del modo di operare di questo convertitore richieda un certo sforzo intellettuale, i benefici della topologia LLC sono tali che se ne prevede un sempre più ampio utilizzo in molte moderne applicazioni come il pilotaggio di TV a schermo piatto e in tutti quegli apparati che necessitano di una certificazione 80+ di eccellenza nell'efficienza energetica.

Fattibilità della misura di cattura neutronica sugli isotopi dispari del gadolinio

In questo lavoro di tesi ci proponiamo di determinare lo spessore degli isotopi ^155Gd e ^157Gd in vista della misura della sezione d’urto di cattura neutronica presso la facility n_TOF del CERN. La principale motivazione dell’esperimento è legata alla necessità di ottenere misure più accurate per le applicazioni ai reattori nucleari. Inoltre, i nuovi risultati, potranno essere sfruttati anche per applicazioni ai recenti sviluppi nella Terapia di Cattura Neutronica e per costruire nuovi rivelatori nell’ambito della ricerca del neutrino. La misura sarà effettuata nella prima area sperimentale EAR-1 di n TOF, equipaggiata con rivelatori, come per esempio gli scintillatori liquidi al benzene deuterato (C6D6) particolarmente adatti per questi tipi di misura. La sezione d’urto di questi due isotopi cambia di molti ordini di grandezza al variare dell’energia dei neutroni incidenti. Per questo motivo, lo studio effettuato in questa tesi ha mostrato che sono necessari due campioni altamente arricchiti per ogni isotopo da misurare: un campione estremamente sottile per energie del neutrone fino a 100 meV, e uno più spesso per energie maggiori. Inoltre per questi campioni sono stati determinati le densità areali necessarie per lo svolgimento dell’esperimento affinchè avvenga il fenomeno di trasmissione dei neutroni.

Densita con la proprieta di media per i sub-Laplaciani

Nella tesi studiamo le densità con la proprietà di media per i sub-Laplaciani. In particolare determiniamo un’espressione generale per una densità positiva con la proprietà di media, su un insieme Ω generico che soddisfi certe prorpietà di regolarità. Troviamo inoltre delle stime della funzione di Green e del nucleo di Poisson per un qualsiasi sub-Laplaciano su un generico gruppo di Carnot e tramite queste stime troviamo delle condizioni sufficienti affinchè, con la densità precedentemente trovata, si possa avere una struttura di Γ-tripla sull’insieme Ω. Studiamo infine un problema inverso per il quale sarà fondamentale avere una struttura di Γ-tripla.

Coordinate di Painlevé-Gullstrand e buchi neri acustici

In questa tesi si introduce il concetto di buco nero acustico come l’analogo sonoro di ciò che rappresenta un buco nero in relatività generale. In primo luogo verrà quindi illustrata la teoria della gravitazione di Einstein, per poi entrare nel dettaglio della soluzione di Schwarzschild e della nozione di buco nero. In secondo luogo si dimostrerà come alcuni sistemi, i fluidi disomogenei in movimento, riescano a riprodurre effetti gravitazionali sotto certe condizioni. In particolare si osserverà come il suono che si propaga in questi fluidi lo faccia lungo delle geodetiche determinate da una "metrica acustica" dipendente da velocità e densità del fluido, che verrà ricavata. Ciò che permetterà di stabilire l’analogia sarà un’estensione analitica della soluzione di Schwarzschild, quella di Painlevé-Gullstrand: si potrà infatti identificare (formalmente) l’elemento di linea acustico con l’elemento di linea di Painlevé-Gullstrand. Si troverà che portando la velocità del fluido a una velocità maggiore di quella del suono, nella zona supersonica le onde acustiche non potranno propagarsi controcorrente ma verranno trascinate nella direzione opposta, come i raggi luminosi vengono trascinati verso la singolarità all’interno dell’orizzonte degli eventi di un buco nero. La zona supersonica verrà quindi chiamata buco nero acustico.