Vibrational spectroscopy and DFT calculations of di-amino acid cyclic peptides. Part I: cyclo(Gly-Gly), cyclo(L-Ala-L-Ala) and cyclo(L-Ala-Gly) in the solid state and in aqueous solution

Investigations of the vibrational spectra of cyclo(Gly-Gly), cyclo(L-Ala-L-Ala) and cyclo(t-Ala-Gly) are reported. Raman scattering and Fourier transform infrared (FTIR) spectra of solid-state and aqueous protonated samples, as well as their corresponding N-deuterated isotopomers, have been examined. In addition, density functional theory (DFT) (B3-LYP/cc-pVDZ) calculations of molecular structures and their associated vibrational modes were carried out. In each case, the calculated structures of lowest energy for the isolated gas-phase molecules have boat conformations. Assignments have been made for the observed Raman and FTIR vibrational bands of the cyclic di-amino acid peptides (CDAPs) examined. Raman polarization studies of aqueous phase samples are consistent with C-2 and C-1 symmetries for the six-membered rings of cyclo(L-Ala-L-Ala) and cydo(L-Ala-Gly), respectively. There is a good correlation between experimental and calculated vibrational bands for the three CDAPs. These data are in keeping with boat conformations for cydo(L-Ala-L-Ala) and cyclo(L-Ala-Gly) molecules, predicted by the ab initio calculations, in both the solid and aqueous solution states. However, Raman spectroscopic results might infer that cyclo(L-AlaGly) deviates only slightly from planarity in the solid state. The potential energy distributions of the amide I and II modes of a cis-peptide linkage are shown to be significantly different from those of the trans-peptides. For example, deuterium shifts have shown that the cis-amide I vibrations found in cyclo(Gly-Gly), cyclo(L-Ala-L-Ala), and cyclo(L-Ala-Gly) have larger N-H contributions compared to their trans-amide counterparts. Compared to trans-amide II vibrations, cis-amide II vibrations show a considerable decrease in N-H character.

Vibrational spectroscopic studies of the structure of di-amino acid peptides. Part II: cyclo(L-Asp-L-Asp) in the solid state and in aqueous solution

Solid-state protonated and N,O-deuterated Fourier transform infrared (IR) and Raman scattering spectra together with the protonated and deuterated Raman spectra in aqueous solution of the cyclic di-amino acid peptide cyclo(L-Asp-L-Asp) are reported. Vibrational band assignments have been made on the basis of comparisons with previously cited literature values for diketopiperazine (DKP) derivatives and normal coordinate analyses for both the protonated and deuterated species based upon DFT calculations at the B3-LYP/cc-pVDZ level of the isolated molecule in the gas phase. The calculated minimum energy structure for cyclo(L-Asp-L-Asp), assuming C-2 symmetry, predicts a boat conformation for the DKP ring with both the two L-aspartyl side chains being folded slightly above the ring. The C=O stretching vibrations have been assigned for the side-chain carboxylic acid group (e.g. at 1693 and 1670 cm(-1) in the Raman spectrum) and the cis amide I bands (e.g. at 1660 cm(-1) in the Raman spectrum). The presence of two bands for the carboxylic acid C=O stretching modes in the solid-state Raman spectrum can be accounted for by factor group splitting of the two nonequivalent molecules in a crystallographic unit cell. The cis amide II band is observed at 1489 cm(-1) in the solid-state Raman spectrum, which is in agreement with results for cyclic di-amino acid peptide molecules examined previously in the solid state, where the DKP ring adopts a boat conformation. Additionally, it also appears that as the molecular mass of the substituent on the C-alpha atom is increased, the amide II band wavenumber decreases to below 1500 cm(-1); this may be a consequence of increased strain on the DKP ring. The cis amide II Raman band is characterized by its relatively small deuterium shift (29 cm(-1)), which indicates that this band has a smaller N-H bending contribution than the trans amide II vibrational band observed for linear peptides.

Vibrational spectroscopy and crystal structure analysis of two polymorphs of the di-amino acid peptide cyclo(L-Glu-L-Glu)

Cyclo(L-Glu-L-Glu) has been crystallised in two different polymorphic forms. Both polymorphs are monoclinic, but form 1 is in space group P21 and form 2 is in space group C2. Raman scattering and FT-IR spectroscopic studies have been conducted for the N,O-protonated and deuterated derivatives. Raman spectra of orientated single crystals, solid-state and aqueous solution samples have also been recorded. The different hydrogen-bonding patterns for the two polymorphs have the greatest effect on vibrational modes with N&bond;H and C&dbond;O stretching character. DFT (B3-LYP/cc-pVDZ) calculations of the isolated cyclo(L-Glu-L-Glu) molecule predict that the minimum energy structure, assuming C2 symmetry, has a boat conformation for the diketopiperazine ring with the two L-Glu side chains being folded above the ring. The calculated geometry is in good agreement with the X-ray crystallographic structures for both polymorphs. Normal coordinate analysis has facilitated the band assignments for the experimental vibrational spectra. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.

Light emission from scanning tunnelling microscope on polycrystalline Au films - what is happening at the single-grain level?

When operated with a metallic tip and sample the scanning tunnelling microscope constitutes a nanoscale, plasmonic light source yielding broadband emission up to a photon energy determined by the applied bias. The emission is due to tunnelling electron excitation and subsequent radiative decay of localized plasmon modes, which can be on the lateral scale of a single metal grain (similar to 25 nm) or less. For a Au-tip/Au-polycrystalline sample under ambient conditions it is found that the intensity and spectral content of the emitted light are not dependent on the lateral grain dimension, but are predominantly determined by the tip geometry. However, the intensity increases strongly with increasing film thickness (grain depth) up to 20-25 nm or approximately the skin depth of the Au film. Photon maps can show less emissive grains and two classes of this occurrence are distinguished. The first is geometrical in origin - a double-tip structure in this case - while the second is due to a contamination-induced lowering of the local work function that causes the tunnel gap to increase. It is suggested that differences in work-function lowering between grains presenting different crystalline facets, combined with an exponential decay in emitted light intensity with tip - sample distance, leads to grain contrast. These results are relevant to tip-enhanced Raman scattering and the fabrication of micro/nano-scale planar, light-emitting tunnel devices.

OXOIRON(IV) PORPHYRINS DERIVED FROM CHARGED IRON(III) TETRAARYLPORPHYRINS AND CHEMICAL OXIDANTS IN AQUEOUS AND METHANOLIC SOLUTIONS

The oxidation of six charged iron(III) tetraarylporphyrins with chemical oxidants has been investigated. In aqueous solution each can be converted by tert-butyl hydroperoxide or monopersulphate into its corresponding oxoiron(IV) porphyrin, whereas in methanol only the iron(III) tetra(N-methylpyridyl)porphyrins form detectable ferryl porphyrins at ambient temperatures. On standing, the iron species revert to the parent porphyrin with a small loss due to non-reversible oxidative destruction. That the oxidised porphyrin intermediates are oxoiron(IV) species has been determined using UV-VIS, resonance Raman, H1 NMR and EPR spectroscopy.

Mass-loss rates for hot luminous stars:The influence of line branching

The effect of photon frequency redistribution by line branching on mass-loss rates for hot luminous stars is investigated. Monte Carlo simulations are carried out for a range of OB star models which show that previous mass-loss calculations which neglect non-resonance line scattering overestimate mass-loss rates for luminous O stars by ~20 per cent. For luminous B stars the effect is somewhat larger, typically ~50 per cent. A Wolf-Rayet star model is used to investigate line branching in the strong wind limit. In this case the effect of line branching is much greater, giving mass-loss rates that are smaller by a factor ~3 from computations which neglect branching.

Actively Tuned Plasmons on Elastomerically Driven Au Nanoparticle Dimers

We demonstrate a novel way to actively tune surface plasmons by fabricating plasmonic nanostructures on stretchable elastomeric films. This allows reversible modification of the metal geometry on the nanometer scale. Using 100 nm scale Au nanoparticle dimers whose spacing is stretch-tuned reveals radically different spectral tuning than previously reported for sub-10-nm nanoparticles, but which can be explained by a revised interpretation of existing models. Tuning plasmons in this way offers a much more robust way than lithography to interrogate the physics of localized plasmons and has applications in optimized surface-enhanced luminescence and Raman scattering.

The controlled fabrication and geometry tunable optics of gold nanotube arrays

Arrays of vertically aligned gold nanotubes are fabricated over several square centimetres which display a geometry tunable plasmonic extinction peak at visible wavelengths and at normal incidence. The fabrication method gives control over nanotube dimensions with inner core diameters of 15–30 nm, wall thicknesses of 5–15 nm and nanotube lengths of up to 300 nm. It is possible to tune the position of the extinction peak through the wavelength range 600–900 nm by varying the inner core diameter and wall thickness. The experimental data are in agreement with numerical modelling of the optical properties which further reveal highly localized and enhanced electric fields around the nanotubes. The tunable nature of the optical response exhibited by such structures could be important for various label-free sensing applications based on both refractive index sensing and surface-enhanced Raman scattering.

Controlling Subnanometer Gaps in Plasmonic Dimers Using Graphene

Graphene is used as the thinnest possible spacer between gold nanoparticles and a gold substrate. This creates a robust, repeatable, and stable subnanometer gap for massive plasmonic field enhancements. White light spectroscopy of single 80 nm gold nanoparticles reveals plasmonic coupling between the particle and its image within the gold substrate. While for a single graphene layer, spectral doublets from coupled dimer modes are observed shifted into the near-infrared, these disappear for increasing numbers of layers. These doublets arise from charger-transfer-sensitive gap plasmons, allowing optical measurement to access out-of-plane conductivity in such layered systems. Gating the graphene can thus directly produce plasmon tuning.

Chalcogenide thin films for solar cells: growth and properties

Thin film solar cells have in recent years gained market quota against traditional silicon photovoltaic panels. These developments were in a large part due to CdTe solar panels on whose development started earlier than their competitors. Panels based on Cu(In,Ga)Se2 (CIGS), despite being more efficient in a laboratory and industrial scale than the CdTe ones, still need a growth technology cheaper and easier to apply in industry. Although usually presented as a good candidate to make cheap panels, CIGS uses rare and expensive materials as In and Ga. The price evolution of these materials might jeopardize CIGS future. This thesis presents three different studies. The first is the study of different processes for the incorporation of Ga in a hybrid CIGS growth system. This system is based on sputtering and thermal evaporation. This technology is, in principle, easier to be applied in the industry and solar cells with efficiencies around to 7% were fully made in Aveiro. In the second part of this thesis, a new material to replace CIGS in thin film solar cells is studied. The growth conditions and fundamental properties of Cu2ZnSnSe4 (CZTSe) were studied in depth. Suitable conditions of temperature and pressure for the growth of this material are reported. Its band gap energy was estimated at 1.05 eV and the Raman scattering peaks were identified. Solar cells made with this material showed efficiencies lower than 0.1%. Finally, preliminary work regarding the incorporation of selenium in Cu2ZnSnS4 (CZTS) thin films was carried out. The structural and morphological properties of thin films of Cu2ZnSn(S,Se)4 have been studied and the results show that the incorporation of selenium is higher in films with precursors rather with already formed Cu2SnS3 or Cu2ZnSnS4 thin films. A solar cell with 0.9 % of efficiency was prepared.

Estudo óptico de cristais e heterostruturas de CdTe

Neste trabalho privilegiam-se as técnicas ópticas, nomeadamente a fotoluminescência a transmissão, a reflexão e a difusão de Raman na caracterização de defeitos e impurezas em cristais e heterostruturas de CdTe/GaAs. No primeiro capítulo efectua-se uma revisão sucinta das propriedades dos compostos II-VI e são colocados os problemas a investigar. O segundo capítulo é dedicado a alguns aspectos teóricos relevantes para a análise dos resultados obtidos nos capítulos quatro a nove. O equipamento utilizado e as experiências realizadas são descritas no terceiro capítulo. A caracterização por espectroscopia de luminescência do tipo de transições e dos defeitos envolvidos nas amostras de fábrica é efectuada com detalhe no quarto capítulo. Neste capítulo são analisadas ainda as emissões devidas a desvios estequiométricos causados pelo recozimento com excesso e defeito de Cd. No capítulo cinco são estudadas por fotoluminescência amostras dopadas intencionalmente com oxigénio por difusão e mostra-se que este elemento se comporta como trapa isoelectrónica no CdTe tal como acontece no ZnTe. Neste capítulo são estudadas também amostras dopadas com ferro pelo mesmo método e são apresentadas as dificuldades em colocar este dopante em sítios substitucionais, nomeadamente no sítio do Cd. No sexto capítulo é estudada a região 1.4 eV, evidenciando o seu comportamento em função da temperatura e da potência de excitação, o seu perfil e a interacção electrãorede. No sétimo capítulo mostra-se que a técnica micro-Raman com luz visível coerente não permite extrair conclusões fiáveis acerca das inclusões de Te na superfície do CdTe, uma vez que a radiação ao ser focada nas amostras, induz a formação de aglomerados nos quais o Te é o elemento dominante. Neste capítulo calcula-se também a concentração de portadores livres através da interacção do plasmão com o fonão óptico longitudinal. O oitavo capítulo é dedicado ao estudo de camadas de CdTe/GaAs com diferentes espessuras nomeadamente na análise da distribuição das deslocações e da deformação na superfície em função da espessura. Os resultados obtidos são comparados através da largura a meia altura das curvas de DCXRD (“Double Crystal X Ray Diffraction”) e dos espectros de reflectância. Por fotoluminescência, são caracterizados os defeitos introduzidos durante o crescimento, são utilizados e desenvolvidos modelos complementares na distinção do tipo de transições ópticas obtidas. No nono capítulo, por espectroscopia de absorção e de reflexão em cristais de CdTe e em camadas de CdTe/GaAs na região reststrahlen são determinadas as frequências dos modos ópticos longitudinal e transversal com bastante precisão. Os resultados obtidos — pelas relações de dispersão de Kramers- Kronig — são simulados pelo modelo do oscilador harmónico classico, mostrando que ambos os métodos descrevem de forma semelhante o comportamento do CdTe nessa região sendo possível determinar as frequências ópticas transversal e longitudinal, as constantes dieléctrica óptica e estática e os coeficientes de amortecimento e de Szigeti. Nas heterostruturas e nas camadas mais espessas determina-se também a concentração de portadores de carga n. No décimo capítulo resumem-se as conclusões do trabalho e são abordados aspectos relacionados com desenvolvimentos possíveis de futuros trabalhos.

Polarization effects in fiber-optic communication systems

In this thesis we perform a detailed analysis of the state of polarization (SOP) of light scattering process using a concatenation of ber-coil based polarization controllers (PCs). We propose a polarization-mode dispersion (PMD) emulator, built through the concatenation of bercoil based PCs and polarization-maintaining bers (PMFs), capable of generate accurate rst- and second-order PMD statistics. We analyze the co-propagation of two optical waves inside a highbirefringence ber. The evolution along the ber of the relative SOP between the two signals is modeled by the de nition of the degree of co-polarization parameter. We validate the model for the degree of co-polarization experimentally, exploring the polarization dependence of the four-wave mixing e ect into a ber with high birefringence. We also study the interaction between signal and noise mediated by Kerr e ect in optical bers. A model accurately describing ampli ed spontaneous emission noise in systems with distributed Raman gain is derived. We show that the noise statistics depends on the propagation distance and on the signal power, and that for distances longer than 120 km and signal powers higher than 6 mW it deviates signi catively from the Gaussian distribution. We explore the all-optical polarization control process based on the stimulated Raman scattering e ect. Mapping parameters like the degree of polarization (DOP), we show that the preferred ampli cation of one particular polarization component of the signal allows a polarization pulling over a wavelength range of 60 nm. The e ciency of the process is higher close to the maximum Raman gain wavelength, where the DOP is roughly constant for a wavelength range of 15 nm. Finally, we study the polarization control in quantum key distribution (QKD) systems with polarization encoding. A model for the quantum bit error rate estimation in QKD systems with time-division multiplexing and wavelength-division multiplexing based polarization control schemes is derived.

Células solares de Cu2ZnSnS4 por sulfurização de camadas metálicas

As energias renováveis têm estado em destaque desde o fi nal do século XX. São vários os motivos para que isto esteja a acontecer. As previsões apontam para problemas de depleção das reservas de combustíveis fósseis, nomeadamente o petróleo e gás natural, durante o presente século. O carvão, ainda abundante, apresenta problemas ambientais signi cativos. Os perigos associados à energia nuclear estão fazer com que os governos de vários países repensem as suas políticas energéticas . Todas estas tecnologias têm fortes impactos ambientais. Considerando o conjunto das energias renováveis, a energia solar fotovoltaica tem ainda um peso menor no panorama da produção energética actual. A explicação para este facto deve-se ao custo, ainda elevado, dos sistemas fotovoltaicos. Várias iniciativas governamentais estão em curso, a SET for 2020 (UE) e a Sunshot (EUA), para o desenvolvimento de tecnologias que façam frente a este problema. A fatia de mercado que a tecnologia de filmes fi nos representa ainda é pequena, mas tem vindo a aumentar nos últimos anos. As vantagens relativamente à tecnologia tradicional baseada em Si são várias, como por ex. os custos energéticos e materiais para a fabricação das células. Esta dissertação apresenta um processo de fabricação de células solares em fi lmes finos usando como camada absorvente um novo composto semicondutor, o Cu2ZnSnS4, que apresenta como grande argumento, relativamente aos seus predecessores, o facto de ser constituído por elementos abundantes e de toxicidade reduzidas. Foi realizado um estudo sobre as condições termodinâmicas de crescimento deste composto, bem como a sua caracterização e das células solares finais. Este trabalho inclui um estudo dos compostos ternários, CuxSnSx+1 e compostos binários SnxSy, justi cado pelo facto de surgirem como fases secundárias no crescimento do Cu2ZnSnS4. Em seguida são descritos resumidamente os vários capítulos que constituem esta tese. No capítulo 1 é abordada de forma resumida a motivação e o enquadramento da tecnologia no panorama energético global. A estrutura da célula solar adoptada neste trabalho é também descrita. O capítulo 2 é reservado para uma descrição mais detalhada do composto Cu2ZnSnS4, nomeadamente as propriedades estruturais e opto-electrónicas. Estas últimas são usadas para explicar as composições não estequiométricas aplicadas no crescimento deste composto. São também descritas as várias técnicas de crescimento apresentadas na literatura. A última secção deste capítulo apresenta os resultados da caracterização publicados pelos vários grupos que estudam este composto. O método que foi implementado para crescer a camada absorvente, bem como os efeitos que a variação dos vários parâmetros têm neste processo são abordados no capítulo 3. Neste é também incluída uma descrição detalhada dos equipamentos usados na caraterização da camada absorvente e das células solares finais. As fases calcogêneas binária e ternárias são estudadas no capítulo 4. É apresentada uma descrição do método de crescimento, quer para as fases do tipo CuxSnSx+1, quer para as fases do tipo SnxSy e a sua caracterização básica, nomeadamente a sua composição e as propriedades estruturais, ópticas e eléctricas. No caso dos compostos binários são também apresentados os resultados de uma célula solar. No capítulo 5 são reportados os resultados da caracterização dos fi lmes de Cu2ZnSnS4. Técnicas como a dispersão Raman, a fotoluminescência, a efi ciência quântica externa e a espectroscopia de admitância são usadas para analisar as propriedades quer da camada absorvente quer da célula solar. No capítulo 6 é apresentada uma conclusão geral do trabalho desenvolvido e são referidas sugestões para melhorar e complementar os estudos feitos.

Nanocomposites for SERS : synthesis, optical and analytical studies

Esta tese descreve diversas estratégias preparativas assim como estudos de caracterização de nanocompósitos e outras nanoestruturas, para a análise em espectroscopia de Raman com intensificação por superfície (SERS). Em particular foi estudada a incorporação de nanopartículas (NPs) metálicas de Ag e Au em matrizes poliméricas visando avaliar o potencial destes materiais como novos substratos para SERS na deteção de moléculas. O primeiro capítulo consiste numa revisão bibliográfica, onde é destacado o desenvolvimento de novos substratos para SERS utilizando nomeadamente nanopartículas de Ag, Au e Cu. Numa primeira fase, esta secção apresenta uma breve descrição sobre as propriedades plasmónicas dos metais utilizados e alguns conceitos básicos de espectroscopia de difusão de Raman. Posteriormente, descreve-se em mais detalhe o efeito de SERS, revendo-se sobretudo a química de materiais descrita em trabalhos recentes tendo em conta a sua utilização como novas plataformas para análise química por SERS. O capítulo 2 descreve a síntese e caracterização de nanocompósitos de poli(acrilato de butilo) obtidos através de polimerização in situ por miniemulsão na presença de nanopartículas de Ag. Os nanocompósitos Ag/PtBA foram investigados como novos substratos de SERS visando o desenvolvimento de novas plataformas versáteis para deteção molecular. Estudos como o efeito da temperatura, pH e pressão foram investigados, visando a compreensão do efeito da matriz polimérica na difusão/adsorção do analito (ácido tiossalicílico) na superfície metálica. No capítulo 3, os nanocompósitos de Ag/PtBA descritos anteriormente foram investigados detalhadamente como substratos para bio-deteção em SERS, usando a adenina como analito modelo. Os nanocompósitos foram submetidos a vários tratamentos pré-analíticos para a bio-deteção da adenina. Foram realizadas experiências nos sistemas Ag/PtBA de modo a obter informação sobre o efeito do pH na deteção deste analito em soluções aquosas diluídas. Os nanocompósitos poliméricos obtidos apresentam a vantagem de poderem ser processados utilizando tecnologia disponível. Pelo que o estudo das suas propriedades térmicas é especialmente relevante. Assim, a influência da incorporação de NPs inorgânicas na temperatura de transição vítrea (Tg) do polímero PtBA foi investigada por meio de calorimetria diferencial de varrimento (DSC) e os resultados são apresentados no capítulo 4. Estes estudos descrevem efeitos na Tg do PtBA quando analisado em nanocompósitos obtidos por diferentes métodos (métodos ex situ e in situ), contendo nanopartículas metálicas com diferentes distribuições de tamanho e presentes em quantidade variável na matriz polimérica. Estes estudos possibilitaram relacionar a influência das NPs metálicas na mobilidade das cadeias poliméricas com as propriedades térmicas observadas. O capítulo 5 descreve a preparação e caracterização de materiais compósitos de base polimérica (PtBA) e NPs de Au com morfologia de bastonetes (NRs). Estes materiais foram investigados como substratos para SERS tendo originado um bom sinal de SERS na análise de 2-2’-ditiodipiridina. Investigouse igualmente o efeito da variação da morfologia das NPs metálicas (esferas e bastonetes), a razão de aspecto (R.A.) dos bastonetes e o tipo de matriz polimérica (PtBA e PnBA) no sinal de SERS. No capítulo 6 é descrita a utilização da técnica de SERS como método alternativo para a monitorização de alterações morfológicas de coloides de NRs de Au. Os NRs de Au foram recolhidos em diferentes fases de oxidação promovida pela presença de K2S2O8 e a sua sensibilidade como substratos de SERS foi avaliada utilizando o anião dietilditiocarbamato (DTC) como analito modelo. Os estudos foram realizados utilizando as linhas de excitação a 1064 nm e 633 nm. Este estudo demonstrou que a sensibilidade dos NRs de Au como substratos de SERS diminui à medida que a sua R.A. diminui devido à competitividade do CTAB (estabilizante) e o DTC pela superfície dos NRs. É de salientar que este processo é acompanhado por um diferente comportamento em termos de adsorção dos dois tautómeros do DTC à superfície do metal. O capítulo 7 introduz um novo tipo de compósitos para SERS, utilizando matrizes biopoliméricas. Assim, descreve-se a preparação e caracterização de nanocompósitos de carragenano e NPs de Ag. Nesta secção é avaliada a utilização destes materiais como novos substratos para a análise em SERS, utilizando a 2-2’-ditiodipiridina como molécula modelo. Descrevem-se estudos pioneiros que procuram relacionar a dependência do sinal de SERS com a força do gel. Para tal, realizou-se um estudo sistemático aos nanobiocompósitos usados como substratos de SERS em diferentes condições analíticas e investigaram-se as suas propriedades reológicas. No capitulo 8 é descrita a investigação de nanocompósitos de Ag/Gelatina como substratos para SERS, utilizando o anião dietilditiocarbamato como analito modelo. Realizaram-se várias experiências para correlacionar a variação da força do gel com o aumento do sinal de SERS bem como a diferente adsorção dos dois tautómeros do DTC à superfície do metal. Ao longo desta dissertação são apresentados metodologias distintas para a preparação e obtenção de nanocompósitos com base em polímeros (sintéticos ou naturais) e NPs metálicas (Ag e Au). Esta investigação não só permitiu a síntese e estudo de novos substratos para SERS mas também a compreensão do efeito matriz/NPs metálicas no sinal de SERS e na formação de “hot spots”. Este trabalho contribui para o enriquecimento na área da Nanociência e Nanotecnologia demonstrando a eficácia e reprodutibilidade de nanocompósitos com base em polímeros como novos substratos para SERS. Embora as propriedades óticas apresentadas por estes materiais serem aqui direcionadas para a deteção molecular pela técnica de SERS, estes materiais podem ser investigados em outras área tecnológicas.

Quantum criptography in optical fibers

As comunicações quânticas aplicam as leis fundamentais da física quântica para codificar, transmitir, guardar e processar informação. A mais importante e bem-sucedida aplicação é a distribuição de chaves quânticas (QKD). Os sistemas de QKD são suportados por tecnologias capazes de processar fotões únicos. Nesta tese analisamos a geração, transmissão e deteção de fotões únicos e entrelaçados em fibras óticas. É proposta uma fonte de fotões única baseada no processo clássico de mistura de quatro ondas (FWM) em fibras óticas num regime de baixas potências. Implementamos essa fonte no laboratório, e desenvolvemos um modelo teórico capaz de descrever corretamente o processo de geração de fotões únicos. O modelo teórico considera o papel das nãolinearidades da fibra e os efeitos da polarização na geração de fotões através do processo de FWM. Analisamos a estatística da fonte de fotões baseada no processo clássico de FWM em fibras óticas. Derivamos um modelo teórico capaz de descrever a estatística dessa fonte de fotões. Mostramos que a estatística da fonte de fotões evolui de térmica num regime de baixas potências óticas, para Poissoniana num regime de potências óticas moderadas. Validamos experimentalmente o modelo teórico, através do uso de fotodetetores de avalanche, do método estimativo da máxima verossimilhança e do algoritmo de maximização de expectativa. Estudamos o processo espontâneo de FWM como uma fonte condicional de fotões únicos. Analisamos a estatística dessa fonte em termos da função condicional de coerência de segunda ordem, considerando o espalhamento de Raman na geração de pares de fotões, e a perda durante a propagação de fotões numa fibra ótica padrão. Identificamos regimes apropriados onde a fonte é quase ideal. Fontes de pares de fotões implementadas em fibras óticas fornecem uma solução prática ao problema de acoplamento que surge quando os pares de fotões são gerados fora da fibra. Exploramos a geração de pares de fotões através do processo espontâneo de FWM no interior de guias de onda com suceptibilidade elétrica de terceira ordem. Descrevemos a geração de pares de fotões em meios com elevado coeficiente de absorção, e identificamos regimes ótimos para o rácio contagens coincidentes/acidentais (CAR) e para a desigualdade de Clauser, Horne, Shimony, and Holt (CHSH), para o qual o compromisso entre perda do guia de onda e não-linearidades maximiza esses parâmetros.