Thermal excitations of optical nanofibers measured with a fiber-integrated Fabry-Pérot cavity

Efficient coupling of light to quantum emitters, such as atoms, molecules or quantum dots, is one of the great challenges in current research. The interaction can be strongly enhanced by coupling the emitter to the eva-nescent field of subwavelength dielectric waveguides that offer strong lateral confinement of the guided light. In this context subwavelength diameter optical nanofibers as part of a tapered optical fiber (TOF) have proven to be powerful tool which also provide an efficient transfer of the light from the interaction region to an optical bus, that is to say, from the nanofiber to an optical fiber. rnAnother approach towards enhancing light–matter interaction is to employ an optical resonator in which the light is circulating and thus passes the emitters many times. Here, both approaches are combined by experi-mentally realizing a microresonator with an integrated nanofiber waist. This is achieved by building a fiber-integrated Fabry-Pérot type resonator from two fiber Bragg grating mirrors with a stop-band near the cesium D2-line wavelength. The characteristics of this resonator fulfill the requirements of nonlinear optics, optical sensing, and cavity quantum electrodynamics in the strong-coupling regime. Together with its advantageous features, such as a constant high coupling strength over a large volume, tunability, high transmission outside the mirror stop band, and a monolithic design, this resonator is a promising tool for experiments with nanofiber-coupled atomic ensembles in the strong-coupling regime. rnThe resonator's high sensitivity to the optical properties of the nanofiber provides a probe for changes of phys-ical parameters that affect the guided optical mode, e.g., the temperature via the thermo-optic effect of silica. Utilizing this detection scheme, the thermalization dynamics due to far-field heat radiation of a nanofiber is studied over a large temperature range. This investigation provides, for the first time, a measurement of the total radiated power of an object with a diameter smaller than all absorption lengths in the thermal spectrum at the level of a single object of deterministic shape and material. The results show excellent agreement with an ab initio thermodynamic model that considers heat radiation as a volumetric effect and that takes the emitter shape and size relative to the emission wavelength into account. Modeling and investigating the thermalization of microscopic objects with arbitrary shape from first principles is of fundamental interest and has important applications, such as heat management in nano-devices or radiative forcing of aerosols in Earth's climate system. rnUsing a similar method, the effect of the TOF's mechanical modes on the polarization and phase of the fiber-guided light is studied. The measurement results show that in typical TOFs these quantities exhibit high-frequency thermal fluctuations. They originate from high-Q torsional oscillations that couple to the nanofiber-guided light via the strain-optic effect. An ab-initio opto-mechanical model of the TOF is developed that provides an accurate quantitative prediction for the mode spectrum and the mechanically induced polarization and phase fluctuations. These high-frequency fluctuations may limit the ultimate ideality of fiber-coupling into photonic structures. Furthermore, first estimations show that they may currently limit the storage time of nanofiber-based atom traps. The model, on the other hand, provides a method to design TOFs with tailored mechanical properties in order to meet experimental requirements. rn

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.

Approccio teorico e numerico per la selezione di topologie d'antenna miniaturizzate su substrati magneto-dielettrici

Lo sviluppo di soluzioni sempre più pervasive, nell’ambito delle telecomunicazioni, ha determinato una necessità crescente di avere sistemi wireless con dimensioni estremamente ridotte. Tale obiettivo deve essere raggiunto evitando di incorrere nelle problematiche in termini di prestazioni di radiazione che si presentano utilizzando antenne dalle dimensioni molto ridotte rispetto la lunghezza d'onda. Tali inefficienze finiscono poi per ripercuotersi sulle funzionalità, ma sopratutto sul consumo energetico e quindi sulla sua autonomia. Nell’ambito di questa tesi, ci si è focalizzati sui materiali e in particolare su come possono essere selezionati in base alle caratteristiche delle varie topologie di antenne, con lo scopo di massimizzare le caratteristiche prestazionali dell'elemento radiante. Sarà inoltre presentata una definizione innovativa e dedicata ai materiali magneto-dielettrici del volume di campo vicino. Si concluderà infine che, nel caso di antenne rappresentate da sorgenti equivalenti magnetiche è conveniente usare materiali magnetici, mentre con sorgenti equivalenti elettriche il solo dielettrico risulta più indicato.

Dielectric relaxation in biological materials

The study of dielectric properties concerns storage and dissipation of electric and magnetic energy in materials. Dielectrics are important in order to explain various phenomena in Solid-State Physics and in Physics of Biological Materials. Indeed, during the last two centuries, many scientists have tried to explain and model the dielectric relaxation. Starting from the Kohlrausch model and passing through the ideal Debye one, they arrived at more com- plex models that try to explain the experimentally observed distributions of relaxation times, including the classical (Cole-Cole, Davidson-Cole and Havriliak-Negami) and the more recent ones (Hilfer, Jonscher, Weron, etc.). The purpose of this thesis is to discuss a variety of models carrying out the analysis both in the frequency and in the time domain. Particular attention is devoted to the three classical models, that are studied using a transcendental function known as Mittag-Leffler function. We highlight that one of the most important properties of this function, its complete monotonicity, is an essential property for the physical acceptability and realizability of the models. Lo studio delle proprietà dielettriche riguarda l’immagazzinamento e la dissipazione di energia elettrica e magnetica nei materiali. I dielettrici sono importanti al fine di spiegare vari fenomeni nell’ambito della Fisica dello Stato Solido e della Fisica dei Materiali Biologici. Infatti, durante i due secoli passati, molti scienziati hanno tentato di spiegare e modellizzare il rilassamento dielettrico. A partire dal modello di Kohlrausch e passando attraverso quello ideale di Debye, sono giunti a modelli più complessi che tentano di spiegare la distribuzione osservata sperimentalmente di tempi di rilassamento, tra i quali modelli abbiamo quelli classici (Cole-Cole, Davidson-Cole e Havriliak-Negami) e quelli più recenti (Hilfer, Jonscher, Weron, etc.). L’obiettivo di questa tesi è discutere vari modelli, conducendo l’analisi sia nel dominio delle frequenze sia in quello dei tempi. Particolare attenzione è rivolta ai tre modelli classici, i quali sono studiati utilizzando una funzione trascendente nota come funzione di Mittag-Leffler. Evidenziamo come una delle più importanti proprietà di questa funzione, la sua completa monotonia, è una proprietà essenziale per l’accettabilità fisica e la realizzabilità dei modelli.

RFID tag localization with virtual multi-antenna systems

In questa tesi si sono valutate le prestazioni di un sistema di localizzazione multi-antenna di tag radio frequency identification (RFID) passivi in ambiente indoor. Il sistema, composto da un reader in movimento che percorre una traiettoria nota, ha come obiettivo localizzare il tag attraverso misure di fase; più precisamente la differenza di fase tra il segnale di interrogazione, emesso dal reader, e il segnale ricevuto riflesso dal tag che è correlato alla distanza tra di essi. Dopo avere eseguito una ricerca sullo stato dell’arte di queste tecniche e aver derivato il criterio maximum likelihood (ML) del sistema si è proceduto a valutarne le prestazioni e come eventuali fattori agissero sul risultato di localizzazione attraverso simulazioni Matlab. Come ultimo passo si è proceduto a effettuare una campagna di misure, testando il sistema in un ambiente reale. Si sono confrontati i risultati di localizzazione di tutti gli algoritmi proposti quando il reader si muove su una traiettoria rettilinea e su una traiettoria angolare, cercando di capire come migliorare i risultati.

Localizzazione e tracking tramite filtri statistici in sistemi multi antenna

Uno dei temi più recenti nel campo delle telecomunicazioni è l'IoT. Tale termine viene utilizzato per rappresentare uno scenario nel quale non solo le persone, con i propri dispositivi personali, ma anche gli oggetti che le circondano saranno connessi alla rete con lo scopo di scambiarsi informazioni di diversa natura. Il numero sempre più crescente di dispositivi connessi in rete, porterà ad una richiesta maggiore in termini di capacità di canale e velocità di trasmissione. La risposta tecnologica a tali esigenze sarà data dall’avvento del 5G, le cui tecnologie chiave saranno: massive MIMO, small cells e l'utilizzo di onde millimetriche. Nel corso del tempo la crescita delle vendite di smartphone e di dispositivi mobili in grado di sfruttare la localizzazione per ottenere servizi, ha fatto sì che la ricerca in questo campo aumentasse esponenzialmente. L'informazione sulla posizione viene utilizzata infatti in differenti ambiti, si passa dalla tradizionale navigazione verso la meta desiderata al geomarketing, dai servizi legati alle chiamate di emergenza a quelli di logistica indoor per industrie. Data quindi l'importanza del processo di positioning, l'obiettivo di questa tesi è quello di ottenere la stima sulla posizione e sulla traiettoria percorsa da un utente che si muove in un ambiente indoor, sfruttando l'infrastruttura dedicata alla comunicazione che verrà a crearsi con l'avvento del 5G, permettendo quindi un abbattimento dei costi. Per fare ciò è stato implementato un algoritmo basato sui filtri EKF, nel quale il sistema analizzato presenta in ricezione un array di antenne, mentre in trasmissione è stato effettuato un confronto tra due casi: singola antenna ed array. Lo studio di entrambe le situazioni permette di evidenziare, quindi, i vantaggi ottenuti dall’utilizzo di sistemi multi antenna. Inoltre sono stati analizzati altri elementi chiave che determinano la precisione, quali geometria del sistema, posizionamento del ricevitore e frequenza operativa.

Fabrication of high-k dielectric thin films for spintronics

Lo scopo di questa tesi è la fabbricazione di ossidi complessi aventi struttura perovskitica, per mezzo della tecnica Channel Spark Ablation (CSA). Più precisamente sono stati depositati film sottili di manganite (LSMO), SrTiO3 (STO) e NdGaO3 (NGO). Inoltre nel laboratorio ospite è stata effettuata la caratterizzazione elettrica e dielettrica (spettroscopia di impedenza), mentre per l'analisi strutturale e chimica ci si è avvalsi di collaborazioni. Sono stati fabbricati dispositivi LSMO/STO/Co e se ne è studiato il comportamento magnetoresistivo e la bistabilità elettrica a seconda del carattere epitassiale od amorfo dell'STO. I risultati più promettenti sono stati ottenuti con STO amorfo. Sono stati costruiti diversi set di condensatori nella configurazione Metallo/Isolante/Semiconduttore (MIS), con M=Au, I=STO o NGO ed S=Nb:STO, allo scopo di indagare la dipendenza delle proprietà dielettriche ed isolanti dai parametri di crescita. In particolare ci si è concentrati sulla temperatura di deposizione e, nel caso dei film di STO, anche sulla dipendenza della costante dielettrica dallo spessore del film. Come ci si aspettava, la costante dielettrica relativa dei film di STO (65 per un film spesso 40 nm e 175 per uno di 170 nm) si è rivelata maggiore di quella dei film di NGO per i quali abbiamo ottenuto un valore di 20, che coincide con il valore del bulk. Nonostante l'elevata capacità per unità di area ottenibile con l'STO, la costante dielettrica di questo materiale risulta fortemente dipendente dallo spessore del film. Un ulteriore aspetto critico relativo all'STO è dato dal livello di ossidazione del film: le vacanze di ossigeno, infatti, possono ridurre la resistività dell'STO (nominalmente molto elevata), ed aumentarne la corrente di perdita. Al contrario l'NGO è meno sensibile ai processi tecnologici e, allo stesso tempo, ha un valore di costante dielettrica più alto rispetto ad un tipico dielettrico come l'ossido di silicio.

Tomographic 3D reconstruction through linear inversion for breast microwave imaging

In the present thesis we address the problem of detecting and localizing a small spherical target with characteristic electrical properties inside a volume of cylindrical shape, representing female breast, with MWI. One of the main works of this project is to properly extend the existing linear inversion algorithm from planar slice to volume reconstruction; results obtained, under the same conditions and experimental setup are reported for the two different approaches. Preliminar comparison and performance analysis of the reconstruction algorithms is performed via numerical simulations in a software-created environment: a single dipole antenna is used for illuminating the virtual breast phantom from different positions and, for each position, the corresponding scattered field value is registered. Collected data are then exploited in order to reconstruct the investigation domain, along with the scatterer position, in the form of image called pseudospectrum. During this process the tumor is modeled as a dielectric sphere of small radius and, for electromagnetic scattering purposes, it's treated as a point-like source. To improve the performance of reconstruction technique, we repeat the acquisition for a number of frequencies in a given range: the different pseudospectra, reconstructed from single frequency data, are incoherently combined with MUltiple SIgnal Classification (MUSIC) method which returns an overall enhanced image. We exploit multi-frequency approach to test the performance of 3D linear inversion reconstruction algorithm while varying the source position inside the phantom and the height of antenna plane. Analysis results and reconstructed images are then reported. Finally, we perform 3D reconstruction from experimental data gathered with the acquisition system in the microwave laboratory at DIFA, University of Bologna for a recently developed breast-phantom prototype; obtained pseudospectrum and performance analysis for the real model are reported.

Rapid synthesis of arylgold compounds using dielectric heating

Dielectric heating has been successfully used in the preparation of a range of arylgold compounds. The approach is tolerant of a number of functional groups and rapidly generates the organometallic complexes in moderate to excellent yields.