Quantum Interference and Entanglement of Surface Plasmons

Surface plasma waves arise from the collective oscillations of billions of electrons at the surface of a metal in unison. The simplest way to quantize these waves is by direct analogy to electromagnetic fields in free space, with the surface plasmon, the quantum of the surface plasma wave, playing the same role as the photon. It follows that surface plasmons should exhibit all of the same quantum phenomena that photons do, including quantum interference and entanglement.

Unlike photons, however, surface plasmons suffer strong losses that arise from the scattering of free electrons from other electrons, phonons, and surfaces. Under some circumstances, these interactions might also cause “pure dephasing,” which entails a loss of coherence without absorption. Quantum descriptions of plasmons usually do not account for these effects explicitly, and sometimes ignore them altogether. In light of this extra microscopic complexity, it is necessary for experiments to test quantum models of surface plasmons.

In this thesis, I describe two such tests that my collaborators and I performed. The first was a plasmonic version of the Hong-Ou-Mandel experiment, in which we observed two-particle quantum interference between plasmons with a visibility of 93 ± 1%. This measurement confirms that surface plasmons faithfully reproduce this effect with the same visibility and mutual coherence time, to within measurement error, as in the photonic case.

The second experiment demonstrated path entanglement between surface plasmons with a visibility of 95 ± 2%, confirming that a path-entangled state can indeed survive without measurable decoherence. This measurement suggests that elastic scattering mechanisms of the type that might cause pure dephasing must have been weak enough not to significantly perturb the state of the metal under the experimental conditions we investigated.

These two experiments add quantum interference and path entanglement to a growing list of quantum phenomena that surface plasmons appear to exhibit just as clearly as photons, confirming the predictions of the simplest quantum models.

Corrosão dos aços UNS S30400 e 31600 em meios simuladores de poros de concreto

Com o objetivo de investigar a influência que o molibdênio exerce nas propriedades das camadas passivas das armaduras de aços austeníticos, barras redondas dos aços UNS S30400 e 31600 foram submetidas à ação de soluções que simulam as que são encontradas nos poros de concreto. Para caracterizar o efeito do molibdênio na resistência daqueles aços à corrosão por pites, foram conduzidos ensaios de circuito aberto, polarização anódica, espectroscopia de impedância eletroquímica, análise de Mott-Schottky, tração em baixa taxa de deformação e análise das superfícies por microscopias óptica e eletrônica de varredura. Os resultados obtidos demonstram que, de uma forma geral, o aço UNS S30400 (sem molibdênio) apresentou maior resistência à corrosão localizada que o UNS S31600 (2% de Mo) nas soluções alcalinas cloretadas naturalmente aeradas, comportamento este inverso ao que se observa nos mesmos materiais quando submetidos a soluções cloretadas neutras ou ácidas.

Estudo do crescimento bacteriano e da aplicação de procedimentos de limpeza e desinfecção no aço inoxidável 304L

Técnicas de limpeza química ou mecânica são comumente empregadas para evitar a formação de biofilmes e problemas associados com a colonização de superfícies por micro-organismos. Neste trabalho, amostras de aço inox 304L foram submetidas a ensaios acelerados de crescimento de biofilme, o qual foi posteriormente removido por tratamentos de limpeza e desinfecção (choque térmico com água a 70C por 1h, limpeza com ácido fosfórico 20 % v/v por 30min e desinfecção com peróxido de hidrogênio 0,17 % v/v por 1h). Com o objetivo de verificar a influência destes tratamentos na remoção do biofilme, este foi caracterizado (por quantificação microbiana e análises de espectroscopia de impedância eletroquímica - EIE), antes e após a aplicação dos tratamentos. Dois casos foram estudados. No primeiro caso, simularam-se condições presentes em tubulações de ambientes hospitalares e sistemas de distribuição de água quente. O micro-organismo utilizado foi a bactéria Serratia marcences. O processo de formação de biofilme e posterior limpeza e desinfecção foi realizado de modo contínuo durante 15 semanas. Os resultados de quantificação microbiana e de EIE mostraram que desde a primeira semana de exposição e ao longo dos ensaios, formou-se um biofilme aderente à superfície do aço e que o emprego dos tratamentos de limpeza e desinfecção não foi eficaz na remoção do biofilme. Em um segundo caso, simularam-se condições presentes em tubulações da indústria de água mineral, empregando-se a bactéria Pseudomonas aeruginosa. Neste caso, as técnicas de limpeza e desinfecção foram aplicadas individualmente e em conjunto. A aplicação de choque térmico, assim como da limpeza ácida, sobre um biofilme com 72 h de formação foi capaz de eliminar as bactérias viáveis, presentes na superfície do aço. Entretanto, a desinfecção com peróxido de hidrogênio não foi capaz de eliminá-las. Nas duas condições, porém, as análises de EIE do sistema aço/biofilme mostraram que o mesmo não foi completamente removido da superfície do metal. Correlacionando os dois casos, pode-se inferir que a superfície do aço inox 304L é rapidamente colonizada pelas duas espécies microbianas e que as técnicas de limpeza e desinfecção são capazes de reduzir e até eliminar as células viáveis, embora não removam completamente o biofilme da superfície. Por outro lado, é importante ressaltar que fatores como a arquitetura, espessura e porosidade do biofilme, e propriedades intrínsecas da superfície, são fatores que afetam os valores de impedância medidos, sendo necessário considerá-los na análise, tanto da formação do biofilme, quanto dos efeitos dos procedimentos de limpeza e desinfecção

Comportamento tribocorrosivo do aço inoxidável e de ligas de titânio em meio salino

No presente trabalho, foram realizados ensaios de tribocorrosão no aço inoxidável AISI 304L, no titânio comercialmente puro (CPTi) e na liga de titânio Ti6Al4V em solução aquosa de 0,90% m/v NaCl. Amostras de ligas de titânio com tratamento térmico superficial de refusão a laser também foram utilizadas. Um tribômetro do tipo pino-no-disco com contracorpo de alumina foi usado. Técnicas eletroquímicas in situ de monitoramento em circuito aberto, espectroscopia de impedância eletroquímica, curvas de polarização e amperimetria de resistência nula foram empregadas. Os resultados obtidos indicam que o desgaste tribocorrosivo das ligas de titânio é mais intenso do que o observado no aço inoxidável, apresentando perfis de superfície mais irregulares. A análise da impedância eletroquímica mostrou que todos os materiais utilizados apresentam uma rápida recuperação da camada passiva, exibindo módulos e fases um pouco menores do que os medidos antes do desgaste. Sob atrito, os diagramas de impedância apresentam uma forte redução do módulo. Sob desgaste, o expoente α do elemento de fase constante (CPE) atinge seu valor mais baixo, enquanto o parâmetro γ é máximo. As curvas de polarização exibem potenciais menores e densidades de corrente de corrosão maiores durante o desgaste. O tratamento de refusão a laser, embora mude a microestrutura e a dureza superficial das amostras, não indica uma mudança aparente nos parâmetros eletroquímicos sob tribocorrosão, bem como do coeficiente de atrito. Nos ensaios de amperimetria de resistência nula, foi possível estimar a corrente mensurada no ARN por meio do emprego de um circuito elétrico equivalente. A densidade espectral de potência dos sinais de potencial e de corrente exibe a frequência de rotação (1,25 Hz) e seus harmônicos. Para baixas frequências (abaixo de 10 mHz), o decaimento obedece à relação 1 ⁄ e 1⁄ para os sinais de potencial e corrente, respectivamente.

Avaliação de aminoácidos como inibidores de corrosão para cobre em meio de água do mar artificial

Inibidores de corrosão são substâncias que quando adicionadas a um meio agressivo, diminuem ou previnem a reação de oxidação de um metal com este meio e/ou as reações de redução de espécies presentes no meio. Para a inibição da corrosão de cobre e suas ligas em meios ácidos ou neutros, o inibidor mais empregado é o benzotriazol (BTAH), o qual forma complexos com os íons Cu (I) e Cu (II) na superfície do metal, diminuindo o processo corrosivo. A preocupação com a preservação ambiental e a toxicidade de inibidores de corrosão vem sendo discutida na literatura. Vários estudos têm-se intensificado usando aminoácidos, como proposta para substituição ao BTAH, considerado tóxico. Entre os aminoácidos estudados, dois apresentavam enxofre em suas moléculas (cisteína e metionina) e um outro sem heteroátomo na cadeira lateral (glicina). As concentrações variaram entre 10-2 a 10-4 mol/L e pH da solução entre 7,2 e 8,4. Foram realizadas medidas gravimétricas (ensaios de imersão total) e técnicas eletroquímicas, tais como polarização potenciodinâmica e espectroscopia de impedância eletroquímica. A caracterização morfológica da superfície do substrato após os ensaios de imersão total (743 horas) foi feita por meio de microscopia eletrônica de varredura (MEV), espectroscopia de raios X por dispersão de energia (EDS ou EDX) e difração de raios X (DRX). Embora os resultados com aminoácidos tenham sido sempre muito inferiores àqueles obtidos na presença de BTAH, comportamentos semelhantes em função da concentração dos aminoácidos puderam ser observados pelos diagramas de Nyquist. Contudo, com exceção dos resultados verificados para o meio contendo cisteína 10-2 mol/L, todas as eficiências de inibição para os meios contendo aminoácidos, obtidas pelos ensaios de imersão total, foram negativas, mostrando que o tempo de exposição também pode ser relevante para o desempenho destes inibidores. Entre todos os aminoácidos testados, os meios contendo glicina apresentaram os piores desempenhos anticorrosivos, inclusive acelerando o processo de dissolução anódica do cobre. Esse resultado pode estar relacionado à faixa de pH das soluções testadas e à solubilidade dos complexos de cobre formados com os aminoácidos, mostrando que uma faixa ótima de pH também deve ser assegurada para aprimorar a ação destes aminoácidos como inibidores de corrosão

Avaliação de biocidas no controle da corrosão microbiologicamente induzida do aço carbono 1020 por bactérias redutoras de sulfato

Bactérias redutoras de sulfato (BRS) são os principais micro-organismos envolvidos na corrosão microbiologicamente induzida (CMI). Estas bactérias reduzem o sulfato, tendo como resultado a produção de H2S, o que pode influenciar os processos anódico e catódico na corrosão de materiais metálicos em ambientes marinhos, óleos e solos úmidos. Uma das formas de prevenir e controlar esse tipo de corrosão é a adição de biocidas ao meio corrosivo. Esta dissertação tem como objetivo avaliar o uso de biocidas no controle da CMI do aço AISI 1020 por BRS. Para isto, o comportamento da CMI no aço foi avaliado em água do mar sintética, em condições de anaerobiose, na ausência e na presença de uma cultura mista contendo BRS. Um biocida natural (óleo de alho) e outro comercial (glutaraldeído) foram utilizados para controlar a corrosão causada por estas bactérias. Duas formas de adição de biocida foram avaliadas: antes da formação do biofilme e após sua formação na superfície do metal. O crescimento microbiano na superfície do aço foi avaliado através da quantificação das BRS sésseis, pelo método do número mais provável (NMP). O comportamento eletroquímico do aço, na ausência e na presença de BRS e também para os ensaios com biocidas, foi estudado através das técnicas de espectroscopia de impedância eletroquímica (EIE) e polarização potenciodinâmica, sempre usando água do mar sintética como meio eletrolítico. A formação de biofilme e de produtos de corrosão na superfície do aço foi observada através da microscopia eletrônica de varredura (MEV). Os resultados mostraram que o aço exposto ao meio contendo BRS apresentou um processo corrosivo mais acelerado, quando comparado aos sistemas na ausência de micro-organismo. Esse processo foi evidenciado por um decréscimo na magnitude do arco capacitivo, nos ensaios de EIE, e um aumento da densidade de corrente de corrosão (Icorr), nos ensaios de polarização. Na análise de MEV, foi possível observar a formação de corrosão localizada após a remoção do biofilme da superfície. Os ensaios com biocidas, adicionados antes da formação de biofilmes, mostraram uma redução no número de bactérias sésseis, quando comparados com os ensaios sem biocida realizados pelo mesmo período de tempo (7 dias). Foi verificado também um decréscimo do processo corrosivo do aço, evidenciado através de aumento nos arcos capacitivos, nos ensaios de EIE e pelos menores valores de Icorr nos ensaios de polarização, quando comparados com o biofilme formado sem biocidas, nas mesmas condições. Apesar de não ter inibido completamente o crescimento das BRS sésseis, o óleo de alho apresentou maior redução no processo corrosivo quando comparado ao glutaraldeído, indicando sua possível aplicação como biocida natural nestas condições. Os ensaios realizados com biocidas adicionados após a formação do biofilme mostraram que o glutaraldeído apresentou alta eficácia em reduzir o número de células sésseis. Já o óleo de alho exibiu uma ação menos efetiva, sugerindo que este composto não conseguiu penetrar completamente a matriz do biofilme. Entretanto, ambos causaram aceleração do processo corrosivo do aço no meio estudado após 7 dias de exposição

Properties of tetrahedral amorphous carbon prepared by vacuum arc deposition

The structural, optical, electrical and physical properties of amorphous carbon deposited from the filtered plasma stream of a vacuum arc were investigated. The structure was determined by electron diffraction, neutron diffraction and energy loss spectroscopy and the tetrahedral coordination of the material was confirmed. The measurements gave a nearest neighbour distance of 1.53 Å, a bond angle of 110 and a coordination number of four. A model is proposed in which the compressive stress generated in the film by energetic ion impact produces pressure and temperature conditions lying well inside the region of the carbon phase diagram within which diamond is stable. The model is confirmed by measurements of stress and plasmon energy as a function of ion energy. The model also predicts the formation of sp2-rich materials on the surface owing to stress relaxation and this is confirmed by a study of the surface plasmon energy. Some nuclear magnetic resonance, infrared and optical properties are reported and the behaviour of diodes using tetrahedral amorphous carbon is discussed. © 1991.

Optimized vertical carbon nanotube forests for multiplex surface-enhanced raman scattering detection

The highly sensitive and molecule-specific technique of surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) generates high signal enhancements via localized optical fields on nanoscale metallic materials, which can be tuned by manipulation of the surface roughness and architecture on the submicrometer level. We investigate gold-functionalized vertically aligned carbon nanotube forests (VACNTs) as low-cost straightforward SERS nanoplatforms. We find that their SERS enhancements depend on their diameter and density, which are systematically optimized for their performance. Modeling of the VACNT-based SERS substrates confirms consistent dependence on structural parameters as observed experimentally. The created nanostructures span over large substrate areas, are readily configurable, and yield uniform and reproducible SERS enhancement factors. Further fabricated micropatterned VACNTs platforms are shown to deliver multiplexed SERS detection. The unique properties of CNTs, which can be synergistically utilized in VACNT-based substrates and patterned arrays, can thus provide new generation platforms for SERS detection. © 2012 American Chemical Society.

Enhanced mid-infrared transmission in heavily doped n-type semiconductor film based on surface plasmons

Transmission of electromagnetic wave in a heavily doped n-type GaAs film is studied theoretically. From the calculations, an extraordinary transmission of p-polarized waves through the film with subwavelength grooves on both surfaces at mid-infrared frequencies is found. This extraordinary transmission is attributed to the coupling of the surface-plasmon polariton modes and waveguide modes. By selecting a set of groove parameters, the transmission is optimized to a maximum. Furthermore, the transmission can be tuned by dopant concentrations. As the dopant concentration increases, the peak position shifts to higher frequency but the peak value decreases.

Plasmonic surface-wave splitter

The authors present an analysis of a plasmonic surface-wave splitter, simulated using a two-dimensional finite-difference time-domain technique. A single subwavelength slit is employed as a high-intensity nanoscale excitation source for plasmonic surface waves, resulting in a miniaturized light-surface plasmon coupler. With different surface structures located on the two sides of the slit, the device is able to confine and guide light waves of different wavelengths in opposite directions. Within the 15 mu m simulation region, it is found that the intensity of the guided light at the interface is roughly two to eight times the peak intensity of the incident light, and the propagation length can reach approximately 42 and 16 mu m and at the wavelengths of 0.63 and 1.33 mu m, respectively. (c) 2007 American Institute of Physics.

Stable single-mode distributed feedback quantum cascade laser with surface metal grating

A design of single-mode distributed feedback quantum cascade lasers (DFB-QCLs) with surface metal grating is described. A rigorous modal expansion theory is adopted to analyse the interaction between the waveguide mode and the surface plasmon wave for different grating parameters. A stable single-mode operation can be obtained in a wide range of grating depths and duty cycles. The single-mode operation of surface metal grating DFB-QCLs at room temperature for lambda = 8.5 mu m is demonstrated. The device shows a side-mode suppression ratio of above 20 dB. A linear tuning of wavelength with temperature indicates the stable single-mode operation without mode hopping.

Tunable optical properties of nano-Au on vanadium dioxide

The optical properties of Au nanoparticles deposited on thermochromic thin films of VO2 are investigated using spectroscopy. A localized modification on the transmittance spectrum of VO2 film is formed due to the presence of Au nanoparticles which exhibit localized surface plasmon resonance (LSPR) in the visible-near IR region. The position of the modification wavelength region shows a strong dependence on the Au mass thickness and shifts toward the red as it increases. On the other hand, it was found that the LSPR of Au nanoparticles can be thermally tunable because of the thermochromism of the supporting material of VO2. The LSPR wavelength, lambda(SPR), shifts to the blue with increasing temperature, and shifts back to the red as temperature decreases. A fine tuning is achieved when the temperature is increased in a stepwise manner.

Enhanced photocatalytic activity of TiO2 nano-structured thin film with a silver hierarchical configuration

TiO2 sol-gels with various Ag/TiO2 molar ratios from 0 to 0.9% were used to fabricate silver-modified nano-structured TiO2 thin films using a layer-by-layer dip-coating (LLDC) technique. This technique allows obtaining TiO2 nano-structured thin films with a silver hierarchical configuration. The coating of pure TiO2 sol-gel and Ag-modified sol-gel was marked as T and A, respectively. According to the coating order and the nature of the TiO2 sol-gel, four types of the TiO2 thin films were constructed, and marked as AT (bottom layer was Ag modified, surface layer was pure TiO,), TA (bottom layer was pure TiO,, surface layer was Ag modified), TT (pure TiO, thin film) and AA (TiO, thin film was uniformly Ag modified). These thin films were characterized by means of linear sweep voltammetry (LSV), X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), electrochemical impedance spectroscopy and transient photocurrent (I-ph). LSV confirmed the existence of Ago state in the TiO, thin film. SEM and XRD experiments indicated that the sizes of the TiO,, nanoparticles of the resulting films were in the order of TT > AT > TA > AA, suggesting the gradient Ag distribution in the films. The SEM and XRD results also confirmed that Ag had an inhibition effect on the size growth of anatase nanoparticles. Photocatalytic activities of the resulting thin films were also evaluated in the photocatalytic degradation process of methyl orange. The preliminary results demonstrated the sequence of the photocatalytic activity of the resulting films was AT > TA > AA > TT. This suggested that the silver hierarchical configuration can be used to improve the photocatalytic activity of TiO2 thin film.

Surface Initiated Polymerization from Substrates of Low Initiator Density and Its Applications in Biosensors

Surface initiated polymerization (SIP) has become an attractive method for tailoring physical and chemical properties of surfaces for a broad range of applications. Most of those application relied on the merit of a high density coating. In this study we explored a long overlooked field of SIP. SIP from substrates of low initiator density. We combined ellipsometry with AFM to investigate the effect of initiatior density and polymerization time on the morphology of polymer coatings. In addition, we carefully adjusted the nanoscale separation of polymer chains to achieve a balance between nonfouling and immobilization capacities. We further tested the performance of those coating on various biosensors, such as quartz crystal microbalance, surface plasmon resonance, and protein microarrays. The optimized matrices enhanced the performance of those biosensors. This report shall encourage researches to explore new frontiers in SIP that go beyond polymer brushes.

Enhanced nucleation of Ag nanoparticles by vacancy-type defects in Ar-ions implanted spinel

Vacancy-type defects are introduced into magnesium aluminate spine] (MgAl2O4 (1 1 0)) by Ar-ions implantation, and then Ag-ions are implanted into the depth rich in vacancy-type defects. The ultraviolet-visible spectrometry (UV-VIS) and positron annihilation spectroscopy (PAS) are used to study the influence of vacancy-type defects on nucleation of Ag nanoparticles. After introduction of vacancy-type defects the pronounced increase of surface plasmon resonance (SPR) absorbance intensity indicates that defects enhance the nucleation of Ag nanoparticles. The PAS results reveal that vacancy-type defects provide pre-nucleating centers for Ag nanoparticles nucleation and growth. (C) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.