Many-body approach to the BCS-BEC crossover for an imbalanced ultra-cold Fermi gas

The aim of this thesis is the study of the normal phase of a mass imbalanced and polarized ultra-cold Fermi gas in the context of the BCS-BEC crossover, using a diagrammatic approach known as t-matrix approximation. More specifically, the calculations are implemented using the fully self-consistent t-matrix (or Luttinger- Ward) approach, which is already experimentally and numerically validated for the balanced case. An imbalance (polarization) between the two spin populations works against pairing and superfluidity. For sufficiently large polarization (and not too strong attraction) the system remains in the normal phase even at zero temperature. This phase is expected to be well described by the Landau’s Fermi liquid theory. By reducing the spin polarization, a critical imbalance is reached where a quantum phase transition towards a superfluid phase occurs and the Fermi liquid description breaks down. Depending on the strength of the interaction, the exotic superfluid phase at the quantum critical point (QCP) can be either a FFLO phase (Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov) or a Sarma phase. In this regard, the presence of mass imbalance can strongly influence the nature of the QCP, by favouring one of these two exotic types of pairing over the other, depending on whether the majority of the two species is heavier or lighter than the minority. The analysis of the system is made by focusing on the temperature-coupling-polarization phase diagram for different mass ratios of the two components and on the study of different thermodynamic quantities at finite temperature. The evolution towards a non-Fermi liquid behavior at the QCP is investigated by calculating the fermionic quasi-particle residues, the effective masses and the self-energies at zero temperature.

Quantum Monte Carlo study of effective masses in a polarized unitary Fermi gas

Ultracold gases provide an ideal platform for quantum simulations of many-body systems. Here we are interested in a particular system which has been the focus of most experimental and theoretical works on ultracold fermionic gases: the unitary Fermi gas. In this work we study with Quantum Monte Carlo simulations a two-component gas of fermionic atoms at zero temperature in the unitary regime. Specifically, we are interested in studying how the effective masses for the quasi-particles of the two components of the Fermi liquid evolve as the polarization is progressively reduced from full to lower values. A recent theoretical work, based on alternative diagrammatic methods, has indeed suggested that such effective masses should diverge at a critical polarization. To independently verify such predictions, we perform Variational Monte Carlo (VMC) calculations of the energy based on Jastrow-Slater wavefunctions after adding or subtracting a particle with a given momentum to a full Fermi sphere. In this way, we determine the quasi-particle dispersions, from which we extract the effective masses for different polarizations. The resulting effective masses turn out to be quite close to the non-interacting values, even though some evidence of an increase for the effective mass of the minority component appears close to the predicted value for the critical polarization. Preliminary results obtained for the majority component with the Fixed-node Diffusion Monte Carlo (DMC) method seem to indicate that DMC could lead to an increase of the effective masses in comparison with the VMC results. Finally, we point out further improvements of the trial wave-function and boundary conditions that would be necessary in future simulations to draw definite conclusions on the effective masses of the polarized unitary Fermi gas.

One dimensional extended Hubbard model: two-particle bound states and resonances.

In questo lavoro di tesi è stato svolto uno studio analitico sul modello di Hubbard esteso unidimensionale al fine di osservare la presenza di eventuali risonanze che possano dare origine alla formazione di stati legati di due particelle. L'esistenza di uno stato legato stabile ha suscitato grande interesse negli ultimi anni, sia in ambito teorico che sperimentale, poichè è alla base di molti fenomeni che vengono osservati nei sistemi a molti corpi a basse temperature, come il BCS-BEC crossover. Pertanto si è ritenuto utile studiare il problema a due corpi nel modello di Hubbard esteso, che in generale non è integrabile. Il modello considerato contiene interazioni a primi e secondi vicini, in aggiunta all'interazione di contatto presente nel modello di Hubbard. Il problema è stato indagato analiticamente attraverso il Bethe ansatz, che consente di trovare tutti gli autovalori e le autofunzioni dell'Hamiltoniana. L'ansatz di Bethe sulla funzione d'onda è stato generalizzato per poter tener conto dei termini di interazione a più lungo raggio rispetto all'interazione di contatto. Si trova che, in questo modello, nel limite termodinamico, possono avvenire delle risonanze (o quasi-risonanze) in cui la lunghezza di scattering diverge, contrariamente a quanto avviene nel modello di Hubbard. Tale fenomeno si verifica quando il livello energetico discreto degli stati legati “tocca” la banda di scattering. Inoltre, con l'aggiunta di nuovi termini di interazione emergono nuovi stati legati. Nel caso in esame, si osservano due famiglie di stati legati, se lo spin totale delle due particelle è 1, e tre famiglie di stati legati, se lo spin totale è 0.

Influence of particle size, density and concentration on bend erosive wear in pneumatic conveyors

Particle concentration is a principal factor that affects erosion rate of solid surfaces under particle impact, such as pipe bends in pneumatic conveyors; it is well known that a reduction in the specific erosion rate occurs under high particle concentrations, a phenomenon referred to as the “shielding effect”. The cause of shielding is believed to be increased likelihood of inter-particulate collisions, the high collision probability between incoming and rebounding particles reducing the frequency and the severity of particle impacts on the target surface. In this study, the effects of particle concentration on erosion of a mild steel bend surface have been investigated in detail using three different particulate materials on an industrial scale pneumatic conveying test rig. The materials were studied so that two had the same particle density but very different particle size, whereas two had very similar particle size but very different particle density. Experimental results confirm the shielding effect due to high particle concentration and show that the particle density has a far more significant influence than the particle size, on the magnitude of the shielding effect. A new method of correcting for change in erosivity of the particles in repeated handling, to take this factor out of the data, has been established, and appears to be successful. Moreover, a novel empirical model of the shielding effects has been used, in term of erosion resistance which appears to decrease linearly when the particle concentration decreases. With the model it is possible to find the specific erosion rate when the particle concentration tends to zero, and conversely predict how the specific erosion rate changes at finite values of particle concentration; this is critical to enable component life to be predicted from erosion tester results, as the variation of the shielding effect with concentration is different in these two scenarios. In addition a previously unreported phenomenon has been recorded, of a particulate material whose erosivity has steadily increased during repeated impacts.

Energy harvesting da trasduttori piezoelettrici mediante estrazione di carica quasi-sincrona

In questo documento è stata proposta una soluzione per l'estrazione di carica da un trasduttore piezoelettrico mediante un circuito di conversione quasi-sincrono. Il trasduttore piezoelettrico può essere considerato un ottimo dispositivo per convertire l’energia derivante dalle vibrazioni; la soluzione proposta di estrazione di carica in maniera quasi-sincrona permette un processo di energy harvesting con prestazioni nettamente migliori rispetto al caso di conversione sincrona per casi di trasduttori fortemente accoppiati.

Implementazione di un circuito estrattore di carica quasi-sincrono da trasduttori piezoelettrici

La tecnologia odierna, orientata sempre di più verso il “low-power”, ha permesso di poter sviluppare sistemi elettronici in grado di autoalimentarsi senza alcun bisogno di sorgenti di energia tradizionali. Questo è possibile, ad esempio, utilizzando trasduttori piezoelettrici, in grado di trasformare l’energia meccanica, provocata ad esempio da una vibrazione, in un’altra forma di energia che, in tal caso, risulta essere una grandezza elettrica. Il settore principale in cui viene impiegato questo componente è quello dell’Energy Harvesting, ovvero un campo dell’elettronica in cui si cerca di estrarre dall'ambiente circostante bassissime quantità di energia mediante tecniche opportune, cercando di ridurre i consumi dei circuiti di controllo annessi e renderli, in maggior parte, il più possibile autosufficienti. L’obiettivo è quello di implementare alcune tecniche di recupero dell’energia mediante circuiti gestiti a microcontrollore e valutare se tali metodiche portino a risultati accettabili in grado di soddisfare quelli che sono i requisiti che il mondo dell’Energy Harvesting richiede.

Social housing e sostenibilita. Progetto di un intervento di 24 alloggi ad energia quasi zero a Rovigo

L’oggetto di questa tesi di laurea è un intervento di recupero e riprogettazione di un edificio non completato, destinato a 24 alloggi di edilizia residenziale pubblica, situato a Rovigo. Questo è stato oggetto di una lunga ed articolata vicenda caratterizzata da continue interruzioni del cantiere, principalmente causate da una cattiva esecuzione dei lavori da parte dell’impresa costruttrice. Allo stato attuale è presente la sola struttura metallica assemblata sulle fondazioni in calcestruzzo armato; tutto il fabbricato risulta abbandonato e congelato da diversi anni dopo i primi collaudi che hanno stabilito la non idoneità del telaio in acciaio. L’obiettivo del progetto è dunque quello di recuperare le fondazioni esistenti e di riprogettare l’edificio in una chiave più attuale e sostenibile. E’ stato effettuato un sopralluogo per comprendere più da vicino le problematiche relative all’area di progetto, oltre ad un’attenta analisi delle documentazioni riguardanti il progetto originario in modo da correggere eventuali punti deboli. Le strategie non hanno tenuto conto dunque solamente di un’ottima efficienza energetica o di un’offerta di alloggi adeguata alla domanda della situazione abitativa attuale, ma anche di tutte le problematiche che sono derivate dalla cattiva gestione del progetto originario. Le scelte progettuali, infatti, sono state il risultato anche delle necessità di limitare tempi e costi di un intervento per il quale sono state sprecate fin troppe risorse, soprattutto economiche. La fase progettuale è stata affiancata dalla realizzazione di simulazioni effettuate tramite software di calcolo (Termolog EpiX 6 e DIALux evo) che hanno permesso di ottenere ottimi risultati per quanto riguarda prestazione energetica e comfort luminoso indoor.

Applicazioni dei fasci quasi-monocromatici in medicina

I raggi X, a partire dalla loro scoperta, avvenuta nel 1895 ad opera di Wilhelm Conrad Röntgen, si sono rivelati un potentissimo mezzo per lo studio della materia. In particolare in campo medico hanno permesso la nascita della diagnostica per immagini che, parallelamente allo sviluppo delle tecnologie, è diventata un mezzo imprescindibile per lo studio delle patologie. Negli ultimi decenni molti studi sono stati compiuti in particolare sui vantaggi dell’utilizzo nell’imaging di raggi X monocromatici in sostituzione dell’usuale radiazione policromatica. Con il seguente elaborato si ha l’intento di fornire un quadro generale sulla fisica dei raggi X, sulla loro interazione con la materia e sugli attuali metodi di produzione di fasci monocromatici e quasi-monocromatici, con particolare attenzione all'utilizzo su vasta scala. Sono state infine trattate le principali applicazioni della radiazione monocromatica e quasi-monocromatica nelle tecniche di imaging medico.