CH3OH optically pumped by a (CO2)-C-13 laser: new laser lines and assignments

We report 12 new THz (far-infrared) laser lines from methanol (CH3OH), ranging from 58.1 mu m (5.2 THz) to 624.6 mu m (0.5 THz). A(13) CO2 laser of wide tunability (110 MHz) has been used for optical pumping, allowing access to previously unexplored spectral regions. Optoacoustic absorption spectra were used as a guide to search for new THz laser lines, which have been characterized in wavelength, polarization, offset, relative intensity, and optimum operation pressure. For 20 laser lines previously observed, we have measured the absorption offset with respect to the (CO2)-C-13 laser line center.

Estudo das propriedades ópticas, linear e não linear, e elétrica dos vidros da família Li2O-TeO2-WO3

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Optical Components for WDM Lightwave Networks

Recently, there has been growing interest in developing optical fiber networks to support the increasing bandwidth demands of multimedia applications, such as video conferencing and World Wide Web browsing. One technique for accessing the huge bandwidth available in an optical fiber is wavelength-division multiplexing (WDM). Under WDM, the optical fiber bandwidth is divided into a number of nonoverlapping wavelength bands, each of which may be accessed at peak electronic rates by an end user. By utilizing WDM in optical networks, we can achieve link capacities on the order of 50 THz. The success of WDM networks depends heavily on the available optical device technology. This paper is intended as a tutorial on some of the optical device issues in WDM networks. It discusses the basic principles of optical transmission in fiber and reviews the current state of the art in optical device technology. It introduces some of the basic components in WDM networks, discusses various implementations of these components, and provides insights into their capabilities and limitations. Then, this paper demonstrates how various optical components can be incorporated into WDM optical networks for both local and wide-area applications. Last, the paper provides a brief review of experimental WDM networks that have been implemented.

Laser locking to the Hg-199 S-1(0)-P-3(0) clock transition with 5.4x10(-15)/root tau fractional frequency instability

With Hg-199 atoms confined in an optical lattice trap in the Lamb-Dicke regime, we obtain a spectral line at 265.6 nm for which the FWHM is similar to 15 Hz. Here we lock an ultrastable laser to this ultranarrow S-1(0) - P-3(0) clock transition and achieve a fractional frequency instability of 5.4 x 10(-15) / root tau for tau <= 400 s. The highly stable laser light used for the atom probing is derived from a 1062.6 nm fiber laser locked to an ultrastable optical cavity that exhibits a mean drift rate of -6.0 x 10(-17) s-(1) (-16.9 mHzs(-1) at 282 THz) over a six month period. A comparison between two such lasers locked to independent optical cavities shows a flicker noise limited fractional frequency instability of 4 x 10(-16) per cavity. (c) 2012 Optical Society of America

Optical Excitations and Field Enhancement in Short Graphene Nanoribbons

The optical excitations of elongated graphene nanoflakes of finite length are investigated theoretically through quantum chemistry semiempirical approaches. The spectra and the resulting dipole fields are analyzed, accounting in full atomistic details for quantum confinement effects, which are crucial in the nanoscale regime. We find that the optical spectra of these nanostructures are dominated at low energy by excitations with strong intensity, comprised of characteristic coherent combinations of a few single-particle transitions with comparable weight. They give rise to stationary collective oscillations of the photoexcited carrier density extending throughout the flake and to a strong dipole and field enhancement. This behavior is robust with respect to width and length variations, thus ensuring tunability in a large frequency range. The implications for nanoantennas and other nanoplasmonic applications are discussed for realistic geometries.

Synthesis, characterization, optical absorption, luminescence and defect centres in Er3+ and Yb3+ co-doped MgAl2O4 phosphors

The Er3+-Yb3+ co-doped MgAl2O4 phosphor powders have been prepared by the combustion method. The phosphor powders are well characterized by X-ray diffraction (XRD) and energy dispersive (EDX) techniques. The absorption spectrum of Er3+/Er3+-Yb3+ doped/co-doped phosphor powder has been recorded in the UV-Vis-NIR region of the electro-magnetic spectrum. The evidence for indirect pumping under 980 nm excitation of Er3+ from Yb3+ was observed in the MgAl2O4 matrix material. Electron spin resonance (ESR) studies were carried out to identify the defect centres responsible for the thermally stimulated luminescence (TSL) process in MgAl2O4:Er3+ phosphor. Three defect centres were identified in irradiated phosphor by ESR measurements which were carried out at room temperature and these were assigned to an O- ion and F+ centres. O- ion (hole centre) appears to correlate with the low temperature TSL peak at 210 A degrees C and one of the F+ centres (electron centre) is related to the high temperature peak at 460 A degrees C.

Synthesis, characterisation, luminescence and defect centres in solution combustion synthesised CaZrO3:Tb3+ phosphor

Tb3+ doped CaZrO3 has been prepared by an easy solution combustion synthesis method. The combustion derived powder was investigated by X-ray diffraction, Fourier-transform infrared spectrometry and scanning electron microscopy techniques. A room temperature photoluminescence study showed that the phosphors can be efficiently excited by 251 nm light with a weak emission in the blue and orange region and a strong emission in green light region. CaZrO3:Tb3+ exhibits three thermoluminescence (TL) glow peaks at 126 degrees C, 200 degrees C and 480 degrees C. Electron Spin Resonance (ESR) studies were carried out to study the defect centres induced in the phosphor by gamma irradiation and also to identify the centres responsible for the TL peaks. The room temperature ESR spectrum of irradiated phosphor appears to be a superposition of two distinct centres. One of the centres (centre I) with principal g-value 2.0233 is identified as an O- ion. Centre II with an axial symmetric g-tensor with principal values g(parallel to) = 1.9986 and g(perpendicular to) = 2.0023 is assigned to an F+ centre (singly ionised oxygen vacancy). An additional defect centre is observed during thermal annealing experiments and this centre (assigned to F+ centre) seems to originate from an F centre (oxygen vacancy with two electrons). The F centre and also the F+ centre appear to correlate with the observed high temperature TL peak in CaZrO3:Tb3+ phosphor. (c) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

Staphylococcus aureus thiaminase II: oligomerization warrants proteolytic protection against serine proteases

Staphylococcus aureus TenA (SaTenA) is a thiaminase type II enzyme that catalyzes the deamination of aminopyrimidine, as well as the cleavage of thiamine into 4-amino-5-hydroxymethyl-2-methylpyrimidine (HMP) and 5-(2-hydroxyethyl)-4-methylthiazole (THZ), within thiamine (vitamin B1) metabolism. Further, by analogy with studies of Bacillus subtilis TenA, SaTenA may act as a regulator controlling the secretion of extracellular proteases such as the subtilisin type of enzymes in bacteria. Thiamine biosynthesis has been identified as a potential drug target of the multi-resistant pathogen S. aureus and therefore all enzymes involved in the S. aureus thiamine pathway are presently being investigated in detail. Here, the structure of SaTenA, determined by molecular replacement and refined at 2.7 A ° resolution to an R factor of 21.6% with one homotetramer in the asymmetric unit in the orthorhombic space group P212121, is presented. The tetrameric state of wild-type (WT) SaTenA was postulated to be the functional biological unit and was confirmed by small-angle X-ray scattering (SAXS) experiments in solution. To obtain insights into structural and functional features of the oligomeric SaTenA, comparative kinetic investigations as well as experiments analyzing the structural stability of the WT SaTenA tetramer versus a monomeric SaTenA mutant were performed.

Molekulardynamik-Untersuchungen zur atomistischen Struktur & Dynamik von binären Mischgläsern

Mit Hilfe von Molekulardynamik-Computersimulationen werdenin dieser Arbeit die Struktur und Dynamik von Gläsern undSchmelzen der Systeme 'NSx'=(Na2O)(xSiO2), mit x=2,3,5, und'AS2'=(Al2O3)(2SiO2) untersucht. Zur Beschreibung dermikroskopischen Wechselwirkungen dient ein Modellpotenzial,das auf einem effektiven Paarpotenzial aus der Literaturaufbaut. Simuliert wurden Teilchentrajektorien über mehrereNanosekunden im Bereich 6100 K >= T >= 2100 K sowie dieGlasstruktur bei 100 K (NSx) bzw. 300 K (AS2). Das Aufbrechen der tetraedrischen Netzwerkstruktur durch denNetzwerkmodifikator Na2O führt zur Ausbildung einerzusätzlichen Struktur auf intermediären Längenskalen, diebei allen Systemen NSx etwa dem Abstand übernächster Na-bzw. Si-Nachbarn eines Na-Atoms entspricht. Die diffusiveDynamik ist in allen Systeme NSx bis zu drei Größenordnungenschneller als in SiO2 . Sie nimmt mit wachsenderNa-Konzentration zu. Die Na-Diffusion zeigtArrhenius-Verhalten; hierbei vollführen die Na-Atome einaktiviertes Hüpfen durch eine erstarrte Si-O-Matrix. DieZustandsdichten werden bis ca. 20 THz durch dominanteNa-Moden bestimmt. Bei hohen Frequenzen weichen die für SiO2 typischen intratetraedrischen Si-O-Schwingungsmodenauf.Im Gegensatz zu Na2O wird Al2O3 in die tetraedrischeNetzwerkstruktur eingebunden. AS2 zeigt eine überwiegend ausAlO4- und SiO4-Tetraedern verknüpfte Polyederstruktur, beider sich die AlO4-Tetraeder lokal anders anordnen als dieSiO4-Tetraeder, um Ladungsausgleich zu gewährleisten. Esbilden sich typische 3(Si,Al)O4-Bausteine ('3-Cluster'). Sie führen auf intermediären Längenskalen zur Ausbildungeines Al-reichen perkolierenden Netzwerks, das dieSiO4-Struktur durchdringt. Im Vergleich zu SiO2 erhöht sichdie diffusive Dynamik aller Komponenten in AS2 um ca. zweiGrößenordnungen. Die intratetraedrischenAl-O-Steckschwingungsmoden sind wesentlich weicher als die typischen intratetraedrischen Si-O-Moden des SiO2.

Molekulardynamik-Computersimulation einer amorph-kristallinen SiO 2 Grenzschicht

In dieser Arbeit werden Molekulardynamik-Computersimulationen zur Untersuchung der statischen und dynamischen Eigenschaften einer amorph/kristallinen Siliziumdioxid(SiO2)-Grenzschicht durchgefuehrt.Die Grenzflaeche wird von der [100]-Ebene des beta-Kristobalit-Kristalls und der fluessigen SiO2-Phase gebildet und in einem Temperaturbereich zwischen 2900K und 3100K im Zustand eines metastabilen Gleichgewichts untersucht. Als Modellpotential zur Beschreibung der mikroskopischen Wechselwirkungen zwischen den Teilchen wird ein einfaches Paarpotential aus der Literatur verwendet, das sowohl die Struktur der kristallinen Phase als auch die der fluessigen Phase gut reproduziert. Bezogen auf die Dichte und die potentielle Energie der Teilchen erstreckt sich der Uebergang von der fluessigen in die kristalline Phase ueber 3-5 Atomlagen. Ein Layering-Effekt der Dichte in der fluessigen Phase in der Naehe der Grenzschicht wird nicht beobachtet. Der Einfluss der Grenzschicht auf statische Groessen, welche das System auf einer mittelreichweitigen Laengenskala beschreiben (z. B. Koordinationszahlverteilung und Ringverteilung) reicht im Vergleich dazu weiter in die fluessige Phase hinein und manifestiert sich in Defektstrukturen, wie z. B. der Erhoehung der Wahrscheinlichkeit fuer das Auftreten von 5-fach koordiniertem Silizium und der vermehrten Bildung von 2er-Ringen in der Fluessigkeit. Dies beguenstigt das Aufbrechen und Umklappen von Si-O-Bindungen und fuehrt zu einer Beschleunigung der Dynamik und einer Erhoehung der Diffusionsgeschwindigkeit in der Fluessigkeit. Im weiteren wird die Hochfrequenzdynamik der reinen SiO2-Fluessigkeit untersucht. Dazu berechnen wir die vibratorische Zustandsdichte in harmonischer Naeherung aus der inhaerenten Struktur. Wir finden einen stark ausgepraegten Peak bei einer Frequenz von 0.6 THz. Dieser Peak kann der niederenergetischsten transversalen akustischen Mode zugeordnet werden, die auch als Scherschwingung des Systems direkt sichtbar ist.

Stochastische Modelle für nichtlineare Antwortfunktionen in ungeordneten Systemen

In dieser Arbeit werden nichtlineare Experimente zur Untersuchung der Dynamik in amorphen Festkörpern im Rahmen von Modellrechnungen diskutiert. Die Experimente beschäftigen sich mit der Frage nach dynamischen Heterogenitäten, worunter man das Vorliegen dynamischer Prozesse auf unterschiedlichen Zeitskalen versteht. Ist es möglich, gezielt 'langsame' oder 'schnelle' Dynamik in der Probe nachzuweisen, so ist die Existenz von dynamischen Heterogenitäten gezeigt. Ziel der Experimente sind deshalb sogenannte frequenzselektive Anregungen des Systems. In den beiden diskutierten Experimenten, zum einen nichtresonantes Lochbrennen, zum anderen ein ähnliches Experiment, das auf dem dynamischen Kerreffekt beruht, werden nichtlineare Antwortfunktionen gemessen. Um eine Probe in frequenzselektiver Weise anzuregen, werden zunächst einer oder mehrere Zyklen eines oszillierenden elektrischen Feldes an die Probe angelegt. Die Experimente werden zunächst im Terahertz-Bereich untersucht. Auf dieser Zeitskala findet man phonon-ähnliche kollektive Schwingungen in Gläsern. Diese Schwingungen werden durch (anharmonische) Brownsche Oszillatoren beschrieben. Der zentrale Befund der Modellrechnungen ist, daß eine frequenzselektive Anregung im Terahertz-Bereich möglich ist. Ein Nachweis dynamischer Heterogenitäten im Terahertz-Bereich ist somit durch beide Experimente möglich. Anschliessend wird das vorgestellte Kerreffekt-Experiment im Bereich wesentlich kleinerer Frequenzen diskutiert. Die langsame Reorientierungsdynamik in unterkühlten Flüssigkeiten wird dabei durch ein Rotationsdiffusionsmodell beschrieben. Es werden zum einen ein heterogenes und zum anderen ein homogenes Szenario zugrundegelegt. Es stellt sich heraus, daß wie beim Lochbrennen eine Unterscheidung durch das Experiment möglich ist. Das Kerreffekt-Experiment wird somit als eine relativ einfache Alternative zur Technik des nichtresonanten Lochbrennens vorgeschlagen.

Design and experimental characterization of antennas and wireless systems for innovative wearable and implantable ultra low–power applications

The present PhD thesis exploits the design skills I have been improving since my master thesis’ research. A brief description of the chapters’ content follows. Chapter 1: the simulation of a complete front–end is a very complex problem and, in particular, is the basis upon which the prediction of the overall performance of the system is possible. By means of a commercial EM simulation tool and a rigorous nonlinear/EM circuit co–simulation based on the Reciprocity Theorem, the above–mentioned prediction can be achieved and exploited for wireless links characterization. This will represent the theoretical basics of the entire present thesis and will be supported by two RF applications. Chapter 2: an extensive dissertation about Magneto–Dielectric (MD) materials will be presented, together with their peculiar characteristics as substrates for antenna miniaturization purposes. A designed and tested device for RF on–body applications will be described in detail. Finally, future research will be discussed. Chapter 3: this chapter will deal with the issue regarding the exploitation of renewable energy sources for low–energy consumption devices. Hence the problem related to the so–called energy harvesting will be tackled and a first attempt to deploy THz solar energy in an innovative way will be presented and discussed. Future research will be proposed as well. Chapter 4: graphene is a very promising material for devices to be exploited in the RF and THz frequency range for a wide range of engineering applications, including those ones marked as the main research goal of the present thesis. This chapter will present the results obtained during my research period at the National Institute for Research and Development in Microtechnologies (IMT) in Bucharest, Romania. It will concern the design and manufacturing of antennas and diodes made in graphene–based technology for detection/rectification purposes.

Bottom-up solution synthesis of structurally defined graphene nanoribbons

Graphene nanoribbons (GNRs), which are defined as nanometer-wide strips of graphene, are attracting an increasing attention as one on the most promising materials for future nanoelectronics. Unlike zero-bandgap graphene that cannot be switched off in transistors, GNRs possess open bandgaps that critically depend on their width and edge structures. GNRs were predominantly prepared through “top-down” methods such as “cutting” of graphene and “unzipping” of carbon nanotubes, but these methods cannot precisely control the structure of the resulting GNRs. In contrast, “bottom-up” chemical synthetic approach enables fabrication of structurally defined and uniform GNRs from tailor-made polyphenylene precursors. Nevertheless, width and length of the GNRs obtainable by this method were considerably limited. In this study, lateral as well as longitudinal extensions of the GNRs were achieved while preserving the high structural definition, based on the bottom-up solution synthesis. Initially, wider (~2 nm) GNRs were synthesized by using laterally expanded monomers through AA-type Yamamoto polymerization, which proved more efficient than the conventional A2B2-type Suzuki polymerization. The wider GNRs showed broad absorption profile extending to the near-infrared region with a low optical bandgap of 1.12 eV, which indicated a potential of such GNRs for the application in photovoltaic cells. Next, high longitudinal extension of narrow (~1 nm) GNRs over 600 nm was accomplished based on AB-type Diels–Alder polymerization, which provided corresponding polyphenylene precursors with the weight-average molecular weight of larger than 600,000 g/mol. Bulky alkyl chains densely installed on the peripheral positions of these GNRs enhanced their liquid-phase processability, which allowed their formation of highly ordered self-assembled monolayers. Furthermore, non-contact time-resolved terahertz spectroscopy measurements demonstrated high charge-carrier mobility within individual GNRs. Remarkably, lateral extension of the AB-type monomer enabled the fabrication of wider (~2 nm) and long (>100 nm) GNRs through the Diels–Alder polymerization. Such longitudinally extended and structurally well-defined GNRs are expected to allow the fabrication of single-ribbon transistors for the fundamental studies on the electronic properties of the GNRs as well as contribute to the development of future electronic devices.

Titanate-based paraelectric glass-ceramics for applications in GHz electronics

Das Gebiet der drahtlosen Kommunikationsanwendungen befindet sich in einem permanenten Entwicklungsprozess (Mobilfunkstandards: GSM/UMTS/LTE/5G, glo-bale Navigationssatellitensysteme (GNSS): GPS, GLONASS, Galileo, Beidou) zu immer höheren Datenraten und zunehmender Miniaturisierung, woraus ein hoher Bedarf für neue, optimierte Hochfrequenzmaterialien resultiert. Diese Entwicklung zeigt sich besonders in den letzten Jahren in der zunehmenden Entwicklung und Anzahl von Smartphones, welche verschiedene Technologien mit unterschiedlichen Arbeitsfrequenzen innerhalb eines Geräts kombinieren (data: 1G-4G, GPS, WLAN, Bluetooth). Die für zukünftige Technologien (z.B. 5G) benötigte Performance-steigerung kann durch die Verwendung von auf MIMO basierenden Antennensystemen realisiert werden (multiple-input & multiple-output, gesteuerte Kombination von mehreren Antennen) für welche auf dielectric Loading basierende Technologien als eine der vielversprechendsten Implementierungslösungen angesehen werden. rnDas Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung einer geeigneten paraelektrischen Glaskeramik ($varepsilon_{r}$ > 20, $Qf$ > 5000 GHz, |$tau_f$| < 20 ppm/K; im GHz Frequenzbe-reich) im $mathrm{La_{2}O_{3}}$-$mathrm{TiO_{2}}$-$mathrm{SiO_{2}}$-$mathrm{B_{2}O_{3}}$-System für auf dielectric Loading basierende Mobilfunkkommunikationstechnologien als Alternative zu existierenden kommerziell genutzten Sinterkeramiken. Der Fokus lag hierbei auf der Frage, wie die makroskopi-schen dielektrischen Eigenschaften der Glaskeramik mit ihrer Mikrostruktur korreliert bzw. modifiziert werden können. Es konnte gezeigt werden, dass die dielektrischen Materialanforderungen durch das untersuchte System erfüllt werden und dass auf Glaskeramik basierende Dielektrika weitere vorteilhafte nichtelektro-nische Eigenschaften gegenüber gesinterten Keramiken besitzen, womit dielektrische Glaskeramiken durchaus als geeignete Alternative angesehen werden können. rnEin stabiles Grünglas mit minimalen Glasbildneranteil wurde entwickelt und die chemische Zusammensetzung bezüglich Entglasung und Redoxinstabilitäten optimiert. Geeignete Dotierungen für dielektrisch verlustarme $mathrm{TiO_{2}}$-haltige Glaskeramiken wurden identifiziert.rnDer Einfluss der Schmelzbedingungen auf die Keimbildung wurde untersucht und der Keramisierungsprozess auf einen maximalen Anteil der gewünschten Kristallphasen optimiert um optimale dielektrische Eigenschaften zu erhalten. Die mikroskopische Struktur der Glaskeramiken wurde analysiert und ihr Einfluss auf die makroskopischen dielektrischen Eigenschaften bestimmt. Die Hochfrequenzverlustmechanismen wurden untersucht und Antennen-Prototypenserien wurden analysiert um die Eignung von auf Glaskeramik basierenden Dielektrika für die Verwendung in dielectric Loading Anwendungen zu zeigen.

Single-shot electron bunch length measurements using a spatial electro-optical autocorrelation interferometer

A spatial, electro-optical autocorrelation (EOA) interferometer using the vertically polarized lobes of coherent transition radiation (CTR) has been developed as a single-shot electron bunch length monitor at an optical beam port downstream the 100 MeV preinjector LINAC of the Swiss Light Source. This EOA monitor combines the advantages of step-scan interferometers (high temporal resolution) [D. Mihalcea et al., Phys. Rev. ST Accel. Beams 9, 082801 (2006) and T. Takahashi and K. Takami, Infrared Phys. Technol. 51, 363 (2008)] and terahertz-gating technologies [U. Schmidhammer et al., Appl. Phys. B: Lasers Opt. 94, 95 (2009) and B. Steffen et al., Phys. Rev. ST Accel. Beams 12, 032802 (2009)] (fast response), providing the possibility to tune the accelerator with an online bunch length diagnostics. While a proof of principle of the spatial interferometer was achieved by step-scan measurements with far-infrared detectors, the single-shot capability of the monitor has been demonstrated by electro-optical correlation of the spatial CTR interference pattern with fairly long (500 ps) neodymium-doped yttrium aluminum garnet (Nd:YAG) laser pulses in a ZnTe crystal. In single-shot operation, variations of the bunch length between 1.5 and 4 ps due to different phase settings of the LINAC bunching cavities have been measured with subpicosecond time resolution.