Perovskite lead zirconium titanate nanorings: Towards nanoscale ferroelectric

Rings of perovskite lead zirconium titanate (PZT) with internal diameters down to similar to 5 nm and ring thicknesses of similar to 5-10 nm have been fabricated and structurally, crystallographically, and chemically characterized using an analytical transmission electron microscope. Ring fabrication involved conformal solution deposition of a thin layer of PZT on the inside of a thin film of anodized aluminum oxide nanopores, and subsequent sectioning of the coated pores perpendicular to their cylinder axes. Although the starting solution used for the solution deposition was made from morphotropic phase boundary PZT, the nanorings were found to be on the zirconium-rich side of the PZT phase diagram. Nevertheless, coatings were found to be of perovskite crystallography. The dimensions of these nanorings are such that they have the potential to demonstrate polarization vortices, as modeled by Naumov [Nature (London) 432, 737 (2004)], and moreover represent the perfect morphology to allow vortex alignment and the creation of the ferroelectric "solenoid" as modeled by Gorbatsevich and Kopaev [Ferroelectrics 161, 321 (1994)].

Boron in copper: A perfect misfit in the bulk and cohesion enhancer at a grain boundary

Using first principles electronic structure methods, we calculate the effects of boron impurities in bulk copper and at surfaces and grain boundaries. We find that boron segregation to the Sigma5(310)[001] grain boundary should strengthen the boundary up to 1.5 ML coverage (15.24 at./nm2). The maximal effect is observed at 0.5 ML and corresponds to boron atoms filling exclusively grain boundary interstices. In copper bulk, B causes significant distortion both in interstitial and regular lattice sites, for which boron atoms are either too big or too small. The distortion is compensated to a large extent when the interstitial and substitutional boron combine together to form a strongly bound dumbbell. Our prediction is that bound boron impurities should appear in a sizable proportion if not dominate in most experimental conditions. A large discrepancy between calculated heats of solution and experimental terminal solubility of B in Cu is found, indicating either a significant failure of the density functional approach or, more likely, strongly overestimated solubility limits in the existing B-Cu phase diagram.

Thermodynamics, structure, and dynamics in room temperature ionic liquids: The case of 1-butyl-3-methyl imidazolium hexafluorophosphate ([bmim][PF6])

A detailed investigation of the phase diagram of 1-butyl-3-methyl imidazolium hexafluorophosphate ([bmim][PF6]) is presented on the basis of a wide set of experimental data accessing thermodynamic, structural, and dynamical properties of this important room temperature ionic liquid (RTIL). The combination of quasi adiabatic, continuous calorimetry, wide angle neutron and X-ray diffraction, and quasi elastic neutron scattering allows the exploration of many novel features of this material. Thermodynamic and microscopic structural information is derived on both glassy and crystalline states and compared with results that recently appeared in the literature allowing direct information to be obtained on the existence of two crystalline phases that were not previously characterized and confirming the view that RTILs show a substantial degree of order (even in their amorphous states), which resembles the crystalline order. We highlight a strong connection between structure and dynamics, showing the existence of three temperature ranges in the glassy state across which both the spatial correlation and the dynamics change. The complex crystalline polymorphism in [bmim][PF6] also is investigated; we compare our findings with the corresponding findings for similar RTILs. These results provide a strong experimental basis for the exploration of the features of the phase diagram of RTILs and for the further study of longer alkyl chain salts.

Probing magnetic order in ultracold lattice gases

A forthcoming challenge in ultracold lattice gases is the simulation of quantum magnetism. That involves both the preparation of the lattice atomic gas in the desired spin state and the probing of the state. Here we demonstrate how a probing scheme based on atom-light interfaces gives access to the order parameters of nontrivial quantum magnetic phases, allowing us to characterize univocally strongly correlated magnetic systems produced in ultracold gases. This method, which is also nondemolishing, yields spatially resolved spin correlations and can be applied to bosons or fermions. As a proof of principle, we apply this method to detect the complete phase diagram displayed by a chain of (rotationally invariant) spin-1 bosons.

Ground state of low-dimensional dipolar gases: Linear and zigzag chains

We study the ground-state phase diagram of ultracold dipolar gases in highly anisotropic traps. Starting from a one-dimensional geometry, by ramping down the transverse confinement along one direction, the gas reaches various planar distributions of dipoles. At large linear densities, when the dipolar gas exhibits a crystal-like phase, critical values of the transverse frequency exist below which the configuration exhibits transverse patterns. These critical values are found by means of a classical theory, and are in full agreement with classical Monte Carlo simulations. The study of the quantum system is performed numerically with Monte Carlo techniques and shows that the quantum fluctuations smoothen the transition and make it completely disappear in a gas phase. These predictions could be experimentally tested and would allow one to reveal the effect of zero-point motion on self-organized mesoscopic structures of matter waves, such as the transverse pattern of the zigzag chain.

Bilinear-biquadratic spin-1 chain undergoing quadratic Zeeman effect

The Heisenberg model for spin-1 bosons in one dimension presents many different quantum phases, including the famous topological Haldane phase. Here we study the robustness of such phases in front of a SU(2) symmetry-breaking field as well as the emergence of unique phases. Previous studies have analyzed the effect of such uniaxial anisotropy in some restricted relevant points of the phase diagram. Here we extend those studies and present the complete phase diagram of the spin-1 chain with uniaxial anisotropy. To this aim, we employ the density-matrix renormalization group together with analytical approaches. The complete phase diagram can be realized using ultracold spinor gases in the Mott insulator regime under a quadratic Zeeman effect.

Detection of Entanglement in Ultracold Lattice Gases

Probing non trivial magnetic ordering in quantum magnets realized with ultracold lattice gases demands detection methods with some spatial resolution built on it. Here we demonstrate that the Faraday matter-light interface provides an experimentally feasible tool to distinguish indubitably different quantum phases of a given many-body system in a non-demolishing way. We illustrate our approach by focussing on the Heisenberg chain for spin-1 bosons in the presence of a SU(2) symmetry breaking field. We explain how using the light signal obtained via homodyne detection one can reconstruct the phase diagram of the model. Further we show that the very same technique that provides a direct experimentally measurable signal of different order parameters can be extended to detect also the presence of multipartite entanglement in such systems.

Proton ordering energetics in ice phases

Results from first-principles calculations on the subtle energetics of proton ordering in ice phases are shown only to depend on the electrostatic components of the total energy. Proton ordered ice phases can therefore be predicted using electronic structure methods or a tailored potential model. However, analysis of the electron density reveals that high order multipole components, up to hexadecapole, are needed to adequately capture total energy differences between proton ordered and disordered phases. This suggests that current potential models may be unable to reproduce the position of proton ordered ice phases in the phase diagram without extensions to describe high order electrostatics. (c) 2006 Elsevier B.V. All rights reserved.

Full characterization of the quantum linear-zigzag transition in atomic chains

A string of repulsively interacting particles exhibits a phase transition to a zigzag structure, by reducing the transverse trap potential or the interparticle distance. Based on the emergent symmetry Z2 it has been argued that this instability is a quantum phase transition, which can be mapped to an Ising model in transverse field. An extensive Density Matrix Renormalization Group analysis is performed, resulting in an high-precision evaluation of the critical exponents and of the central charge of the system, confirming that the quantum linear-zigzag transition belongs to the critical Ising model universality class. Quantum corrections to the classical phase diagram are computed, and the range of experimental parameters where quantum effects play a role is provided. These results show that structural instabilities of one-dimensional interacting atomic arrays can simulate quantum critical phenomena typical of ferromagnetic systems.

Case study of the uniaxial anisotropic spin-1 bilinear-biquadratic Heisenberg model on a triangular lattice

We study the spin-1 model on a triangular lattice in the presence of a uniaxial anisotropy field using a cluster mean-field (CMF) approach. The interplay among antiferromagnetic exchange, lattice geometry, and anisotropy forces Gutzwiller mean-field approaches to fail in a certain region of the phase diagram. There, the CMF method yields two supersolid phases compatible with those present in the spin-1/2 XXZ model onto which the spin-1 system maps. Between these two supersolid phases, the three-sublattice order is broken and the results of the CMF approach depend heavily on the geometry and size of the cluster. We discuss the possible presence of a spin liquid in this region.

Optimising drug solubilisation in amorphous polymer dispersions: rational selection of hot-melt extrusion processing parameters

The aim of this article was to construct a T–ϕ phase diagram for a model drug (FD) and amorphous polymer (Eudragit® EPO) and to use this information to understand the impact of how temperature–composition coordinates influenced the final properties of the extrudate. Defining process boundaries and understanding drug solubility in polymeric carriers is of utmost importance and will help in the successful manufacture of new delivery platforms for BCS class II drugs. Physically mixed felodipine (FD)–Eudragit® EPO (EPO) binary mixtures with pre-determined weight fractions were analysed using DSC to measure the endset of melting and glass transition temperature. Extrudates of 10 wt% FD–EPO were processed using temperatures (110°C, 126°C, 140°C and 150°C) selected from the temperature–composition (T–ϕ) phase diagrams and processing screw speed of 20, 100 and 200rpm. Extrudates were characterised using powder X-ray diffraction (PXRD), optical, polarised light and Raman microscopy. To ensure formation of a binary amorphous drug dispersion (ADD) at a specific composition, HME processing temperatures should at least be equal to, or exceed, the corresponding temperature value on the liquid–solid curve in a F–H T–ϕ phase diagram. If extruded between the spinodal and liquid–solid curve, the lack of thermodynamic forces to attain complete drug amorphisation may be compensated for through the use of an increased screw speed. Constructing F–H T–ϕ phase diagrams are valuable not only in the understanding drug–polymer miscibility behaviour but also in rationalising the selection of important processing parameters for HME to ensure miscibility of drug and polymer.

La1-xSrxMnO3 as a candidate for a room temperature pressure sensor /

Perovskite manganite compounds, Lai-xDxMnOs (D-divalent alkaline earth Ca, Sr or Ba), whose electrical and magnetic properties were first investigated nearly a half century ago, have attracted a great deal of attention due to their rich phase diagram. From the point of view of designing a future application, the strong pressure dependence of the resistivity and the accompanying effects in thin films have potential for application in pressure sensing and electronic devices. In this study we report our experimental investigations of pressure dependence of the resistivity of Lao.siSvo^iQMnOs and Lai-xSvxMnOs (LSMO) epitaxial films with x= 0.15, 0.20, 0.25, 0.30, 0.35, on SrTiOs substrates.

Investigation of Frustrated Quasi-One-Dimensional Quantum Spin-Chain Materials

Copper arsenite CuAs2O4 and Copper antimonite CuSb2O4 are S=1/2 (Cu2+ 3d9 electronic configuration) quasi-one-dimensional quantum spin-chain compounds. Both compounds crystallize with tetragonal structures containing edge sharing CuO6 octahedra chains which experience Jahn-Teller distortions. The basal planes of the octahedra link together to form CuO2 ribbon-chains which harbor Cu2+ spin-chains. These compounds are magnetically frustrated with competing nearest-neighbour and next-nearest-neighbour intrachain spin-exchange interactions. Despite the similarities between CuAs2O4 and CuSb2O4, they exhibit very different magnetic properties. In this thesis work, the physical properties of CuAs2O4 and CuSb2O4 are investigated using a variety of experimental techniques which include x-ray diffraction, magnetic susceptibility measurements, heat capacity measurements, Raman spectroscopy, electron paramagnetic resonance, neutron diffraction, and dielectric capacitance measurements. CuAs2O4 exhibits dominant ferromagnetic nearest-neighbour and weaker antiferromagnetic next-nearest-neighbour intrachain spin-exchange interactions. The ratio of the intrachain interactions amounts to Jnn/Jnnn = -4.1. CuAs2O4 was found to order with a ferromagnetic groundstate below TC = 7.4 K. An extensive physical characterization of the magnetic and structural properties of CuAs2O4 was carried out. Under the effect of hydrostatic pressure, CuAs2O4 was found to undergo a structural phase transition at 9 GPa to a new spin-chain structure. The structural phase transition is accompanied by a severe alteration of the magnetic properties. The high-pressure phase exhibits dominant ferromagnetic next-nearest-neighbour spin-exchange interactions and weaker ferromagnetic nearest-neighbour interactions. The ratio of the intrachain interactions in the high-pressure phase was found to be Jnn/Jnnn = 0.3. Structural and magnetic characterizations under hydrostatic pressure are reported and a relationship between the structural and magnetic properties was established. CuSb2O4 orders antiferromagnetically below TN = 1.8 K with an incommensurate helicoidal magnetic structure. CuSb2O4 is characterized by ferromagnetic nearest-neighbour and antiferromagnetic next-nearest-neighbour spin-exchange interactions with Jnn/Jnnn = -1.8. A (H, T) magnetic phase diagram was constructed using low-temperature magnetization and heat capacity measurements. The resulting phase diagram contains multiple phases as a consequence of the strong intrachain magnetic frustration. Indications of ferroelectricity were observed in the incommensurate antiferromagnetic phase.

Electrospinning and characterization of self-assembled inclusion complexies

L’électrofilage est une technique permettant de fabriquer des fibres polymériques dont le diamètre varie entre quelques nanomètres et quelques microns. Ces fibres ont donc un rapport surface/volume très élevé. Les fibres électrofilées pourraient trouver des applications dans le relargage de médicaments et le génie tissulaire, comme membranes et capteurs chimiques, ou dans les nanocomposites et dispositifs électroniques. L’électrofilage était initialement utilisé pour préparer des toiles de fibres désordonnées, mais il est maintenant possible d’aligner les fibres par l’usage de collecteurs spéciaux. Cependant, il est important de contrôler non seulement l’alignement macroscopique des fibres mais aussi leur orientation au niveau moléculaire puisque l’orientation influence les propriétés mécaniques, optiques et électriques des polymères. Les complexes moléculaires apparaissent comme une cible de choix pour produire des nanofibres fortement orientées. Dans les complexes d’inclusion d’urée, les chaînes polymères sont empilées dans des canaux unidimensionnels construits à partir d’un réseau tridimensionnel de molécules d’urée liées par des ponts hydrogène. Ainsi, les chaînes polymère sonts très allongées à l’échelle moléculaire. Des nanofibres du complexe PEO-urée ont été préparées pour la première fois par électrofilage de suspensions et de solutions. Tel qu’attendu, une orientation moléculaire inhabituellement élevée a été observée dans ces fibres. De tels complexes orientés pourraient être utilisés à la fois dans des études fondamentales et dans la préparation de matériaux hiérarchiquement structurés. La méthode d’électrofilage peut parfois aussi être utilisée pour préparer des matériaux polymériques métastables qui ne peuvent pas être préparés par des méthodes conventionnelles. Ici, l’électrofilage a été utilisé pour préparer des fibres des complexes stables (α) et "métastables" (β) entre le PEO et l’urée. La caractérisation du complexe β, qui était mal connu, révèle un rapport PEO:urée de 12:8 appartenant au système orthorhombique avec a = 1.907 nm, b = 0.862 nm et c = 0.773 nm. Les chaînes de PEO sont orientées selon l’axe de la fibre. Leur conformation est significativement affectée par les ponts hydrogène. Une structure en couches a été suggérée pour la forme β, plutôt que la structure conventionnelle en canaux adoptée par la forme α. Nos résultats indiquent que le complexe β est thermodynamiquement stable avant sa fonte et peut se transformer en forme α et en PEO liquide par un processus de fonte et recristallisation à 89 ºC. Ceci va dans le sens contraire aux observations faites avec le complexe β obtenu par trempe du complexe α fondu. En effet, le complexe β ainsi obtenu est métastable et contient des cristaux d’urée. Il peut subir une transition de phases cinétique solide-solide pour produire du complexe α dans une vaste gamme de températures. Cette transition est induite par un changement de conformation du PEO et par la formation de ponts hydrogène intermoléculaires entre l’urée et le PEO. Le diagramme de phases du système PEO-urée a été tracé sur toute la gamme de compositions, ce qui a permis d’interpréter la formation de plusieurs mélanges qui ne sont pas à l’équilibre mais qui sont été observés expérimentalement. La structure et le diagramme de phases du complexe PEO-thiourée, qui est aussi un complexe très mal connu, ont été étudiés en détail. Un rapport molaire PEO :thiourée de 3:2 a été déduit pour le complexe, et une cellule monoclinique avec a = 0.915 nm, b = 1.888 nm, c = 0.825 nm et β = 92.35º a été déterminée. Comme pour le complexe PEO-urée de forme β, une structure en couches a été suggérée pour le complexe PEO-thiourée, dans laquelle les molécules de thiourée seraient disposées en rubans intercalés entre deux couches de PEO. Cette structure en couches pourrait expliquer la température de fusion beaucoup plus faible des complexes PEO-thiourée (110 ºC) et PEO-urée de forme β (89 ºC) en comparaison aux structures en canaux du complexe PEO-urée de forme α (143 ºC).

Études des interactions détergents/lipides dans les systèmes membranaires

Les liposomes sont des structures sphériques formés par l'auto-assemblage de molécules amphiphiles sous forme d'une bicouche. Cette bicouche sépare le volume intérieur du liposome du milieu extérieur, de la même manière que les membranes cellulaires. Les liposomes sont donc des modèles de membranes cellulaires et sont formulés pour étudier les processus biologiques qui font intervenir la membrane (transport de molécules à travers la membrane, effets des charges en surface, interactions entre la matrice lipidique et d'autres molécules, etc.). Parce qu'ils peuvent encapsuler une solution aqueuse en leur volume intérieur, ils sont aussi utilisés aujourd'hui comme nanovecteurs de principes actifs. Nous avons formulé des liposomes non-phospholipidiques riches en stérol que nous avons appelés stérosomes. Ces stérosomes sont composés d'environ 30 % d'amphiphiles monoalkylés et d'environ 70 % de stérols (cholestérol, Chol, et/ou sulfate de cholestérol, Schol). Quand certaines conditions sont respectées, ces mélanges sont capables de former une phase liquide ordonnée (Lo) pour donner, par extrusion, des vésicules unilamellaires. Certaines de ces nouvelles formulations ont été fonctionnalisées de manière à libérer leur contenu en réponse à un stimulus externe. En incorporant des acides gras dérivés de l’acide palmitique possédant différents pKa, nous avons pu contrôler le pH auquel la libération débute. Un modèle mathématique a été proposé afin de cerner les paramètres régissant leur comportement de libération. En incorporant un amphiphile sensible à la lumière (un dérivé de l’azobenzène), les liposomes formés semblent répondre à une radiation lumineuse. Pour ce système, il serait probablement nécessaire de tracer le diagramme de phase du mélange afin de contrôler la photo-libération de l’agent encapsulé. Nous avons aussi formulé des liposomes contenant un amphiphile cationique (le chlorure de cétylpyridinium). En tant que nanovecteurs, ces stérosomes montrent un potentiel intéressant pour la libération passive ou contrôlée de principes actifs. Pour ces systèmes, nous avons développé un modèle pour déterminer l’orientation des différentes molécules dans la bicouche. La formation de ces nouveaux systèmes a aussi apporté de nouvelles connaissances dans le domaine des interactions détergents-lipides. Aux nombreux effets du cholestérol (Chol) sur les systèmes biologiques, il faut ajouter maintenant que les stérols sont aussi capables de forcer les amphiphiles monoalkylés à former des bicouches. Cette nouvelle propriété peut avoir des répercussions sur notre compréhension du fonctionnement des systèmes biologiques. Enfin, les amphiphiles monoalkylés peuvent interagir avec la membrane et avoir des répercussions importantes sur son fonctionnement. Par exemple, l'effet antibactérien de détergents est supposé être dû à leur insertion dans la membrane. Cette insertion est régie par l'affinité existant entre le détergent et cette dernière. Dans ce cadre, nous avons voulu développer une nouvelle méthode permettant d'étudier ces affinités. Nous avons choisi la spectroscopie Raman exaltée de surface (SERS) pour sa sensibilité. Les hypothèses permettant de déterminer cette constante d’affinité se basent sur l’incapacité du détergent à exalter le signal SERS lorsque le détergent est inséré dans la membrane. Les résultats ont été comparés à ceux obtenus par titration calorimétrique isotherme (ITC). Les résultats ont montré des différences. Ces différences ont été discutées.