Label-free Analysis of Conformational Dynamics and Molecular Interaction of Biomolecules by Vis-NIR Metasensor

Analysis of binding recognition and conformation of biomolecules is of paramount important in understanding of their vital functions in complex biological systems. By enabling sub-wavelength light localization and strong local field enhancement, plasmonic biosensors have become dominant tools used for such analysis owing to their label-free and real-time attributes1,2. However, the plasmonic biosensors are not well-suited to provide information regarding conformation or chemical fingerprint of biomolecules. Here, we show that plasmonic metamaterials, consisting of periodic arrays of artificial split-ring resonators (SRRs)3, can enable capabilities of both sensing and fingerprinting of biomolecules. We demonstrate that by engineering geometry of individual SRRs, localized surface plasmon resonance (LSPR) frequency of the metamaterials could be tuned to visible-near infrared regimes (Vis-NIR) such that they possess high local field enhancement for surface-enhanced Raman scattering spectroscopy (SERS). This will provide the basis for the development of a dual mode label-free conformational-resolving and quantitative detection platform. We present here the ability of each sensing mode to independently detect binding adsorption and to identify different conformational states of Guanine (G)-rich DNA monolayers in different environment milieu. Also shown is the use of the nanosensor for fingerprinting and detection of Arginine-Glycine-Glycine (RGG) peptide binding to the G-quadruplex aptamer. The dual-mode nanosensor will significantly contribute to unraveling the complexes of the conformational dynamics of biomolecules as well as to improving specificity of biodetection assays that the conventional, population-averaged plasmonic biosensors cannot achieve.

Non-Markovian qubit dynamics in a circuit-QED setup

We consider a circuit-QED setup that allows the induction and control of non-Markovian dynamics of a qubit. Non-Markovianity is enforced over the qubit by means of its direct coupling to a bosonic mode which is controllably coupled to another qubit-mode system. We show that this configuration can be achieved in a circuit-QED setup consisting of two initially independent superconducting circuits, each formed by one charge qubit and one transmission-line resonator, which are put in interaction by coupling the resonators to a current-biased Josephson junction. We solve this problem exactly and then proceed with a thorough investigation of the emergent non-Markovianity in the dynamics of the qubits. Our study might serve the context for the first experimental assessment of non-Markovianity in a multielement solid-state device.

Heat transport in harmonic oscillator systems with thermal baths: application to optomechanical arrays

We investigate the transport of phonons between N harmonic oscillators in contact with independent thermal baths and coupled to a common oscillator, and derive an expression for the steady state heat flow between the oscillators in the weak coupling limit. We apply these results to an optomechanical array consisting of a pair of mechanical resonators coupled to a single quantized electromagnetic field mode by radiation pressure as well as to thermal baths with different temperatures. In the weak coupling limit this system is shown to be equivalent to two mutually-coupled harmonic oscillators in contact with an effective common thermal bath in addition to their independent baths. The steady state occupation numbers and heat flows are derived and discussed in various regimes of interest.

Generation of cluster states in optomechanical quantum systems

We consider an optomechanical quantum system composed of a single cavity mode interacting with N mechanical resonators. We propose a scheme for generating continuous-variable graph states of arbitrary size and shape, including the so-called cluster states for universal quantum computation. The main feature of this scheme is that, differently from previous approaches, the graph states are hosted in the mechanical degrees of freedom rather than in the radiative ones. Specifically, via a 2N-tone drive, we engineer a linear Hamiltonian which is instrumental to dissipatively drive the system to the desired target state. The robustness of this scheme is assessed against finite interaction times and mechanical noise, confirming it as a valuable approach towards quantum state engineering for continuous-variable computation in a solid-state platform.

Microstructure design of Titanate-based electroceramics

Electrocerâmicos são uma classe de materiais avançados com propriedades eléctricas valiosas para aplicações. Estas propriedades são geralmente muito dependentes da microestrutura dos materiais. Portanto, o objectivo geral deste trabalho é investigar o desenho da resposta dieléctrica de filmes espessos obtidos por Deposição Electroforética (EPD) e cerâmicos monolíticos, através do controlo da evolução da microestrutura durante a sinterização de electrocerâmicos à base de titanatos. Aplicações sem fios na indústria microelectrónica e de comunicações, em rápido crescimento, tornaram-se um importante mercado para os fabricantes de semicondutores. Devido à constante necessidade de miniaturização, redução de custos e maior funcionalidade e integração, a tecnologia de filmes espessos está a tornar-se uma abordagem de processamento de materiais funcionais cada vez mais importante. Uma técnica adequada neste contexto é EPD. Os filmes espessos resultantes necessitam de um passo subsequente de sinterização que é afectada pelo substrato subjacente, tendo este um forte efeito sobre a evolução da microestrutura. Relacionado com a miniaturização e a discriminação do sinal, materiais dieléctricos usados como componentes operando a frequências das microondas em aplicações na industria microelectrónica de comunicações devem apresentar baixas perdas dieléctricas e elevadas permitividade dieléctrica e estabilidade com a temperatura. Materiais do sistema BaO-Ln2O3- TiO2 (BLnT: Ln = La ou Nd), como BaLa4Ti4O15 (BLT) e Ba4.5Nd9Ti18O54 (BNT), cumprem esses requisitos e são interessantes para aplicações, por exemplo, em estações de base para comunicações móveis ou em ressonadores para telefones móveis, onde a miniaturização dos dispositivos é muito importante. Por sua vez, o titanato de estrôncio (SrTiO3, STO) é um ferroeléctrico incipiente com constante dieléctrica elevada e baixas perdas, que encontra aplicação em, por exemplo, condensadores de camada interna, tirando partido de fronteiras de grão altamente resistivas. A dependência da permitividade dieléctrica do campo eléctrico aplicado torna este material muito interessante para aplicações em dispositivos de microondas sintonizáveis. Materiais à base de STO são também interessantes para aplicações termoeléctricas, que podem contribuir para a redução da actual dependência de combustíveis fósseis por meio da geração de energia a partir de calor desaproveitado. No entanto, as mesmas fronteiras de grão resistivas são um obstáculo relativamente à eficiência do STO para aplicações termoeléctricas. Para além do efeito do substrato durante a sinterização constrangida, outros factores, como a presença de fase líquida, a não-estequiometria ou a temperatura de sinterização, afectam significativamente não apenas a microestrutura dos materiais funcionais, mas também a sua resposta dieléctrica. Se adequadamente compreendidos, estes factores podem ser intencionalmente usados para desenhar a microestrutura dos electrocerâmicos e, desta forma, as suas propriedades dieléctricas. O efeito da não-estequiometria (razão Sr/Ti 0.995-1.02) no crescimento de grão e resposta dieléctrica de cerâmicos de STO foi investigado neste trabalho. A mobilidade das fronteiras de grão aumenta com a diminuição da razão Sr/Ti. A resistividade do interior dos grãos e das fronteiras de grão é sistematicamente diminuída em amostras não-estequiométricas de STO, em comparação com o material estequiométrico. O efeito é muito mais forte para as fronteiras de grão do que para o seu interior. Dependências sistemáticas da não-estequiometria foram também observadas relativamente à dependência da condutividade da temperatura (muito mais afectada no caso da contribuição das fronteiras de grão), à capacitância do interior e fronteiras de grão e à espessura das fronteiras de grão. Uma anomalia no crescimento de grão em cerâmicos de STO ricos em Ti foi também observada e sistematicamente analisada. Foram detectadas três descontinuidades na dependência do tipo Arrhenius do crescimento de grão relativamente à temperatura com diminuições no tamanho de grão a temperaturas em torno de 1500, 1550 e 1605 °C. Além disso, descontinuidades semelhantes foram também observadas na dependência da energia de activação relativamente à condutividade das fronteiras de grão e na espessura das fronteiras de grão, avaliadas por Espectroscopia de Impedância. Estas notáveis coincidências suportam fortemente a formação de diferentes complexos de fronteira de grão com transições entre os regimes de crescimento de grão observados, que podem ser correlacionados com diferentes mobilidades de fronteira de grão e propriedades dieléctricas. Um modelo é sugerido, que se baseia na diminuição da fase líquida localizada nas fronteiras de grão, como o aumento da temperatura de sinterização, um cenário compatível com um fenómeno de solubilidade retrógrada, observado anteriormente em metais e semicondutores, mas não em cerâmicos. A EPD de filmes espessos de STO em substratos de folha de Pt e a sinterização constrangida dos filmes fabricados foram também preliminarmente tratadas. Filmes espessos de STO foram depositados com êxito por EPD sobre substratos de Pt e, depois de sinterizados, atingiram densidades elevadas. Um aumento da densificação e do tamanho de grão assim como o alargamento da distribuição de tamanho do grão foram observados com a diminuição da razão Sr/Ti, tal como anteriormente observado em amostras cerâmicas. Grãos equiaxiados foram observados para todas as composições, mas um certo grau de anisotropia na orientação dos poros foi detectado: os poros revelaram uma orientação vertical preferencial. Este trabalho focou-se também na sinterização constrangida do sistema BLnT (Ln = La ou Nd), nomeadamente de filmes espessos de BLT e BNT sobre substratos de folha de platina, e na relação do desenvolvimento de anisotropia microestrutural com as propriedades dieléctricas. As observações durante a sinterização constrangida foram comparadas com cerâmicos monolíticos equivalentes sinterizados livremente. Filmes espessos de BLnT (Ln = La ou Nd) com elevada densidade foram obtidos por EPD e subsequente sinterização constrangida. A anisometria cristalográfica do material em conjunto com um passo de sinterização constrangida resultou em grãos alongados e microestruturas anisotrópicas. O efeito do stress do substrato durante a sinterização constrangida originou graus mais elevados de anisotropia (grãos e poros alongados e orientação preferencial, bem como textura cristalográfica) nos filmes sinterizados relativamente aos cerâmicos equivalentes sinterizados livremente, não obstante o estado equivalente das amostras em verde. A densificação dos filmes de BLnT (Ln = La ou Nd) é retardada em comparação com os cerâmicos, mas depois de longos tempos de sinterização densidades semelhantes são obtidas. No entanto, em oposição a observações na sinterização constrangida de outros sistemas, o crescimento do grão em filmes de BLnT (Ln = La ou Nd) é favorecido pelo constrangimento causado pelo substrato. Além disso, grãos e poros alongados orientados paralelamente ao substrato foram desenvolvidos durante a sinterização constrangida de filmes espessos. Verificou-se uma forte correlação entre a evolução de grãos e poros, que começou assim que o crescimento do grão se iniciou. Um efeito da tensão do substrato no aumento do crescimento de grão, bem como um forte “Zener pinning”, origina microestruturas altamente texturizadas, o que também é observado a nível cristalográfico. Efeitos marcantes da anisotropia microestrutural foram também detectados nas propriedades dieléctricas dos filmes de BLnT (Ln = La ou Nd). Juntamente com o aumento da razão de aspecto dos grãos, do factor de orientação e do grau de textura cristalográfica, a permitividade relativa é ligeiramente diminuída e o coeficiente de temperatura da permitividade evolui de negativo para positivo com o aumento do tempo isotérmico de sinterização. Este trabalho mostra que a não-estequiometria pode ser usada para controlar a mobilidade das fronteiras de grão e, portanto, desenhar a microestrutura e as propriedades dieléctricas de electrocerâmicos à base de STO, com ênfase nas propriedades das fronteiras de grão. O papel da não-estequiometria no STO e dos complexos de fronteira de grão no desenvolvimento microestrutural é discutido e novas oportunidades para desenhar as propriedades de materiais funcionais são abertas. As observações relativamente à sinterização constrangida apontam para o efeito de tensões mecânicas desenvolvidas devido ao substrato subjacente no desenvolvimento da microestrutura de materiais funcionais. É assim esperado que a escolha adequada de substrato permitia desenhar a microestrutura de filmes espessos funcionais com desempenho optimizado. “Stress Assisted Grain Growth” (SAGG) é então proposto como uma técnica potencial para desenhar a microestrutura de materiais funcionais, originando microestruturas anisotrópicas texturizadas com propriedades desejadas.

Compact filters using metal-dielectric inserts

A novel filter based on e-plane metal-dielectric insert in rectangular waveguide is proposed. Properties of the structure containing metallic septa, C- and I-shaped resonators placed in waveguide are investigated. Pseudo-elliptic cross-coupled filter with direct source-load coupling is designed, simulated and fabricated. Experimental results are presented to prove feasibility of the filter. Significant size reduction is achieved.

Reference clock design for low power and low phase noise with temperature compensation

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-03

Vers la fabrication d’échantillons permettant la condensation Bose-Einstein de polaritons excitoniques dans des cristaux d’anthracène en microcavités

Nous investiguons dans ce travail la création d'échantillons permettant l'étude du comportement des polaritons excitoniques dans les matériaux semi-conducteurs organiques. Le couplage fort entre les états excités d'électrons et des photons impose la création de nouveaux états propres dans le milieu. Ces nouveaux états, les polaritons, ont un comportement bosonique et sont donc capables de se condenser dans un état fortement dégénéré. Une occupation massive de l'état fondamental permet l'étude de comportements explicables uniquement par la mécanique quantique. La démonstration, au niveau macroscopique, d'effets quantiques promet d'éclairer notre compréhension de la matière condensée. De plus, la forte localisation des excitons dans les milieux organiques permet la condensation des polaritons excitoniques organiques à des températures beaucoup plus hautes que dans les semi-conducteurs inorganiques. À terme, les échantillons proposés dans ce travail pourraient donc servir à observer une phase cohérente macroscopique à des températures facilement atteignables en laboratoire. Les cavités proposées sont des résonateurs Fabry-Perot ultraminces dans lesquels est inséré un cristal unique d'anthracène. Des miroirs diélectriques sont fabriqués par une compagnie externe. Une couche d'or de 60 nanomètres est ensuite déposée sur leur surface. Les miroirs sont ensuite mis en contact, or contre or, et compressés par 2,6 tonnes de pression. Cette pression soude la cavité et laisse des espaces vides entre les lignes d'or. Une molécule organique, l'anthracène, est ensuite insérée par capillarité dans la cavité et y est cristallisée par la suite. Dans leur état actuel, les cavités présentent des défauts majeurs quant à la planarité des miroirs et à l'uniformité des cristaux. Un protocole détaillé est présenté et commenté dans ce travail. Nous y proposons aussi quelques pistes pour régler les problèmes courants de l'appareil.

Preparation, Characterisation And Microwave Dielectric Properties Of Anbn-1o3n (N=5,6,8) Type Perovskite Compounds

The present study on the preparation , characterization and microwave dielectric properties of AnBn-1O3n (N=5,6,8) type perovskite compounds. The explored ceramics show dielectric constant between 11 and 54,quality factor in the range 2400 to 88900 GHz and Tf in the range -73 to +231ppm/0C.Most of the investigated cation deficient hexagonal perovskites show intermediate dielectric constant with high quality factors. This study gives a general introduction about material, scientific and technological aspects of DRs.Three important ,€r ,Q and Tf, used for the DR characterization are described. The relationship of the above parameters with the fundamental material characteristics is discussed. Different modes are excited when a DR is excited with suitable microwave spectrum of frequencies .A description of analytical determination of frequencies and construction of mode charts used for sample design and mode identification are also discussed. In this study several ceramics are developed for DR purposes, very little attention has been paid to grow the single crystals. It might be due to the fact that the difficulties and time involved in the growth of single crystals, big enough to function as microwave resonators make them expensive .However single crystals of these materials may have very high Q values. It is also possible that a better understanding of the dielectric properties in relation to the structure can be arrived using single crystals. Hence one of the future directions of dielectric resonator research should be to grow good quality single crystals of the above materials.

Tailoring the microwave dielectric properties of BaRE2Ti4O12 and BaRE2Ti5O14 ceramics bycompositional variations

Ceramic dielectric resonators in the BaO-RE2O3-TiO2 (RE=rare earth) system have been prepared by the conventional solid state ceramic route. The dielectric properties have been tailored by substitution of different rare earth oxides and by bismuth oxide addition. The dielectric constants increased with Bi addition whereas the Q decreased. The temperature coeffecient of the resonant frequency improved with bismuth addition.