Um estudo da dinâmica fracamente não-linear de um sistema nanomecânico

Pós-graduação em Matemática - IBILCE

Nonlinear mode coupling and internal resonances in MoS2 nanoelectromechanical system

Atomically thin two dimensional (2D) layered materials have emerged as a new class of material for nanoelectromechanical systems (NEMS) due to their extraordinary mechanical properties and ultralow mass density. Among them, graphene has been the material of choice for nanomechanical resonator. However, recent interest in 2D chalcogenide compounds has also spurred research in using materials such as MoS2 for the NEMS applications. As the dimensions of devices fabricated using these materials shrink down to atomically thin membrane, strain and nonlinear effects have become important. A clear understanding of the nonlinear effects and the ability to manipulate them is essential for next generation sensors. Here, we report on all electrical actuation and detection of few-layer MoS2 resonator. The ability to electrically detect multiple modes and actuate the modes deep into the nonlinear regime enables us to probe the nonlinear coupling between various vibrational modes. The modal coupling in our device is strong enough to detect three distinct internal resonances. (C) 2015 AIP Publishing LLC.

Geometric-phase backaction in a mesoscopic qubit-oscillator system

We illustrate a reverse Von Neumann measurement scheme in which a geometric phase induced on a quantum harmonic oscillator is measured using a microscopic qubit as a probe. We show how such a phase, generated by a cyclic evolution in the phase space of the harmonic oscillator, can be kicked back on the qubit, which plays the role of a quantum interferometer. We also extend our study to finite-temperature dissipative Markovian dynamics and discuss potential implementations in micro-and nanomechanical devices coupled to an effective two-level system.

Nonlinearity and nonclassicality in a nanomechanical resonator

We address quantitatively the relationship between the nonlinearity of a mechanical resonator and the nonclassicality of its ground state. In particular, we analyze the nonclassical properties of the nonlinear Duffing oscillator (being driven or not) as a paradigmatic example of a nonlinear nanomechanical resonator. We first discuss how to quantify the nonlinearity of this system and then show that the nonclassicality of the ground state, as measured by the volume occupied by the negative part of the Wigner function, monotonically increases with the nonlinearity in all the working regimes addressed in our study. Our results show quantitatively that nonlinearity is a resource to create nonclassical states in mechanical systems.

Towards the nanomechanical actuation and controlled assembly of nanomaterials using charge-transfer reactions in electroactive self-assembled monolayers

Les microcantileviers fonctionnalisés offrent une plateforme idéale pour la nano- et micro-mécanique et pour le développement de (bio-) capteurs tres sensible. Le principe d’opération consiste dans des évènements physicochimiques qui se passent du côté fonctionnalisé du microcantilevier induisant une différence de stress de surface entre les deux côtés du cantilevier qui cause une déflexion verticale du levier. Par contre, les facteurs et les phénomènes interfacials qui régissent la nature et l'intensité du stress de surface sont encore méconnus. Pour éclaircir ce phénomène, la première partie de cette thèse porte sur l'étude des réactions de microcantileviers qui sont recouverts d'or et fonctionnalisés par une monocouche auto-assemblée (MAA) électroactive. La formation d'une MAA de ferrocènylundécanethiol (FcC11SH) à la surface d'or d'un microcantilevier est le modèle utilisé pour mieux comprendre le stress de surface induit par l’électrochimie. Les résultats obtenus démontrent qu'une transformation rédox de la MAA de FcC11SH crée un stress de surface qui résulte dans une déflexion verticale du microcantilevier. Dépendamment de la flexibilité du microcantilevier, cette déflexion peut varier de quelques nanomètres à quelques micromètres. L’oxydation de cette MAA de FcC11SH dans un environnement d'ions perchlorate génère un changement de stress de surface compressive. Les résultats indiquent que la déflexion du microcantilevier est due à une tension latérale provenant d'une réorientation et d'une expansion moléculaire lors du transfért de charge et de pairage d’anions. Pour vérifier cette hypothèse, les mêmes expériences ont été répéteés avec des microcantileviers qui ont été couverts d'une MAA mixte, où les groupements électroactifs de ferrocène sont isolés par des alkylthiols inactifs. Lorsqu’un potentiel est appliqué, un courant est détecté mais le microcantilevier ne signale aucune déflexion. Ces résultats confirment que la déflexion du microcantilevier est due à une pression latérale provenant du ferrocènium qui se réorganise et qui crée une pression sur ses pairs avoisinants plutôt que du couplage d’anions. L’amplitude de la déflexion verticale du microcantilevier dépend de la structure moléculaire de la MAA et du le type d’anion utilisés lors de la réaction électrochimique. Dans la prochaine partie de la thèse, l’électrochimie et la spectroscopie de résonance de plasmon en surface ont été combinées pour arriver à une description de l’adsorption et de l’agrégation des n-alkyl sulfates à l’interface FcC11SAu/électrolyte. À toutes les concentrations de solution, les molécules d'agent tensio-actif sont empilées perpendiculairement à la surface d'électrode sous forme de monocouche condensé entrecroisé. Cependant, la densité du film spécifiquement adsorbé s'est avérée être affectée par l'état d'organisation des agents tensio-actifs en solution. À faible concentration, où les molécules d'agent tensio-actif sont présentes en tant que monomères solvatés, les monomères peuvent facilement s'adapter à l’évolution de la concentration en surface du ferrocènium lors du balayage du potential. Cependant, lorsque les molécules sont présentes en solution en tant que micelles une densité plus faible d'agent tensio-actif a été trouvée en raison de l'incapacité de répondre effectivement à la surface de ferrocenium générée dynamiquement.

Nanomechanical properties of biochemically modified dentin bonded interfaces

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Light-curing Time and Aging Effects on the Nanomechanical Properties of Methacrylate- and Silorane-based Restorations

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Effect of long-term storage on nanomechanical and morphological properties of dentin-adhesive interfaces

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Nanomechanical and phononic properties of structured soft materials

Significant interest in nanotechnology, is stimulated by the fact that materials exhibit qualitative changes of properties when their dimensions approach ”finite-sizes”. Quantization of electronic, optical and acoustic energies at the nanoscale provides novel functions, with interests spanning from electronics and photonics to biology. The present dissertation involves the application of Brillouin light scattering (BLS) to quantify and utilize material displacementsrnfor probing phononics and elastic properties of structured systems with dimensions comparable to the wavelength of visible light. The interplay of wave propagation with materials exhibiting spatial inhomogeneities at sub-micron length scales provides information not only about elastic properties but also about structural organization at those length scales. In addition the vector nature of q allows, for addressing the directional dependence of thermomechanical properties. To meet this goal, one-dimensional confined nanostructures and a biological system possessing high hierarchical organization were investigated. These applications extend the capabilities of BLS from a characterization tool for thin films to a method for unravelingrnintriguing phononic properties in more complex systems.

Spin-detection in a quantum electromechanical shuttle system

We study the electrical transport of a harmonically bound, single-molecule C-60 shuttle operating in the Coulomb blockade regime, i.e. single electron shuttling. In particular, we examine the dependance of the tunnel current on an ultra-small stationary force exerted on the shuttle. As an example, we consider the force exerted on an endohedral N@C-60 by the magnetic field gradient generated by a nearby nanomagnet. We derive a Hamiltonian for the full shuttle system which includes the metallic contacts, the spatially dependent tunnel couplings to the shuttle, the electronic and motional degrees of freedom of the shuttle itself and a coupling of the shuttle's motion to a phonon bath. We analyse the resulting quantum master equation and find that, due to the exponential dependence of the tunnel probability on the shuttle-contact separation, the current is highly sensitive to very small forces. In particular, we predict that the spin state of the endohedral electrons of N@C-60 in a large magnetic gradient field can be distinguished from the resulting current signals within a few tens of nanoseconds. This effect could prove useful for the detection of the endohedral spin-state of individual paramagnetic molecules such as N@C-60 and P@C-60, or the detection of very small static forces acting on a C-60 shuttle.