Controlling the transport of an ion: classical and quantum mechanical solutions

The accurate transport of an ion over macroscopic distances represents a challenging control problem due to the different length and time scales that enter and the experimental limitations on the controls that need to be accounted for. Here, we investigate the performance of different control techniques for ion transport in state-of-the-art segmented miniaturized ion traps. We employ numerical optimization of classical trajectories and quantum wavepacket propagation as well as analytical solutions derived from invariant based inverse engineering and geometric optimal control. The applicability of each of the control methods depends on the length and time scales of the transport. Our comprehensive set of tools allows us make a number of observations. We find that accurate shuttling can be performed with operation times below the trap oscillation period. The maximum speed is limited by the maximum acceleration that can be exerted on the ion. When using controls obtained from classical dynamics for wavepacket propagation, wavepacket squeezing is the only quantum effect that comes into play for a large range of trapping parameters. We show that this can be corrected by a compensating force derived from invariant based inverse engineering, without a significant increase in the operation time.

Femtosecond wavepacket interferometry using the rotational dynamics of a trapped cold molecular ion

A Ramsey-type interferometer is suggested, employing a cold trapped ion and two time-delayed offresonant femtosecond laser pulses. The laser light couples to the molecular polarization anisotropy, inducing rotational wavepacket dynamics. An interferogram is obtained from the delay dependent populations of the final field-free rotational states. Current experimental capabilities for cooling and preparation of the initial state are found to yield an interferogram visibility of more than 80%. The interferograms can be used to determine the polarizability anisotropy with an accuracy of about ±2%, respectively ±5%, provided the uncertainty in the initial populations and measurement errors are confined to within the same limits.

Investigation of aspect ratio of hole drilling from micro to nanoscale via focused ion beam fine milling

Holes with different sizes from microscale to nanoscale were directly fabricated by focused ion beam (FIB) milling in this paper. Maximum aspect ratio of the fabricated holes can be 5:1 for the hole with large size with pure FIB milling, 10:1 for gas assistant etching, and 1:1 for the hole with size below 100 nm. A phenomenon of volume swell at the boundary of the hole was observed. The reason maybe due to the dose dependence of the effective sputter yield in low intensity Gaussian beam tail regions and redeposition. Different materials were used to investigate variation of the aspect ratio. The results show that for some special material, such as Ni-Be, the corresponding aspect ratio can reach 13.8:1 with Cl₂ assistant etching, but only 0.09:1 for Si(100) with single scan of the FIB.

A Two-level Prediction Model for Deep Reactive Ion Etch (DRIE)

We contribute a quantitative and systematic model to capture etch non-uniformity in deep reactive ion etch of microelectromechanical systems (MEMS) devices. Deep reactive ion etch is commonly used in MEMS fabrication where high-aspect ratio features are to be produced in silicon. It is typical for many supposedly identical devices, perhaps of diameter 10 mm, to be etched simultaneously into one silicon wafer of diameter 150 mm. Etch non-uniformity depends on uneven distributions of ion and neutral species at the wafer level, and on local consumption of those species at the device, or die, level. An ion–neutral synergism model is constructed from data obtained from etching several layouts of differing pattern opening densities. Such a model is used to predict wafer-level variation with an r.m.s. error below 3%. This model is combined with a die-level model, which we have reported previously, on a MEMS layout. The two-level model is shown to enable prediction of both within-die and wafer-scale etch rate variation for arbitrary wafer loadings.

Core-Shell Assisted Bimetallic Assembly of Pt and Ru Nanoparticles by DNA Hybridization

We have discovered that the current protocols to assemble Au nanoparticles based on DNA hybridization do not work well with the small metal nanoparticles (e.g. 5 nm Au, 3.6 nm Pt and 3.2 nm Ru particles). Further investigations revealed the presence of strong interaction between the oligonucleotide backbone and the surface of the small metal nanoparticles. The oligonucleotides in this case are recumbent on the particle surface and are therefore not optimally oriented for hybridization. The nonspecific adsorption of oligonucleotides on small metal nanoparticles must be overcome before DNA hybridization can be accepted as a general assembly method. Two methods have been suggested as possible solutions to this problem. One is based on the use of stabilizer molecules which compete with the oligonucleotides for adsorption on the metal nanoparticle surface. Unfortunately, the reported success of this approach in small Au nanoparticles (using K₂BSPP) and Au films (using 6-mercapto-1-hexanol) could not be extended to the assembly of Pt and Ru nanoparticles by DNA hybridization. The second approach is to simply use larger metal particles. Indeed most reports on the DNA hybridization induced assembly of Au nanoparticles have made use of relatively large particles (>10 nm), hinting at a weaker non-specific interaction between the oligonucleotides and large Au nanoparticles. However, most current methods of nanoparticle synthesis are optimized to produce metal nanoparticles only within a narrow size range. We find that core-shell nanoparticles formed by the seeded growth method may be used to artificially enlarge the size of the metal particles to reduce the nonspecific binding of oligonucleotides. We demonstrate herein a core-shell assisted growth method to assemble Pt and Ru nanoparticles by DNA hybridization. This method involves firstly synthesizing approximately 16 nm core-shell Ag-Pt and 21 nm core-shell Au-Ru nanoparticles from 9.6 nm Ag seeds and 17.2 nm Au seeds respectively by the seed-mediated growth method. The core-shell nanoparticles were then functionalized by complementary thiolated oligonucleotides followed by aging in 0.2 M PBS buffer for 6 hours. The DNA hybridization induced bimetallic assembly of Pt and Ru nanoparticles could then be carried out in 0.3 M PBS buffer for 10 hours.

Tubular Organization of SnO₂ Nanocrystallites for Improved Lithium Ion Battery Anode Performance

Porous tin oxide nanotubes were obtained by vacuum infiltration of tin oxide nanoparticles into porous aluminum oxide membranes, followed by calcination. The porous tin oxide nanotube arrays so prepared were characterized by FE-SEM, TEM, HRTEM, and XRD. The nanotubes are open-ended, highly ordered with uniform cross-sections, diameters and wall thickness. The tin oxide nanotubes were evaluated as a substitute anode material for the lithium ion batteries. The tin oxide nanotube anode could be charged and discharged repeatedly, retaining a specific capacity of 525 mAh/g after 80 cycles. This capacity is significantly higher than the theoretical capacity of commercial graphite anode (372 mAh/g) and the cyclability is outstanding for a tin based electrode. The cyclability and capacities of the tin oxide nanotubes were also higher than their building blocks of solid tin oxide nanoparticles. A few factors accounting for the good cycling performance and high capacity of tin oxide nanotubes are suggested.

Itinerario educativo por la Ruta del Ríu L'Alba : Concejo de Sobrescobio (Asturias).

Los dibujos son de Manuel Fanjul Antuña, 'Gino' y Gabriel Elias. El título está tomado de la cubierta, en portada aparece 'Retrato de un paisaje'

Preparació de nous catalitzadors basats en complexos de Ru i Pd, i el seu ancorament a polímers conductors per a la fabricació de materials multifuncionals

Aquesta tesi doctoral es basa en l'estudi de l'aplicació en catàlisi de dos tipus de complexos organometallics basats en dos metalls de tansició diferents. Concretament s'estudien complexos macrocíclics triolefínics de pal·ladi(0) com a catalitzadors per a les reaccions de Suzuki i Heck, i oxocomplexos carbènics de ruteni(II) com a espècies catalítiques en oxidacions de compostos orgànics. En el cas dels complexos de ruteni s'ha vist que en augmentar el nombre de lligands carbènics en l'esfera de coordinació del metall s'aconseguiex afavorir els processos bielectrònics, obtenint-se catalitzadors més actius i més selectius. En un segon pas, els dos tipus de catalitzadors homogenis s'han immobilitzat sobre la superfície d'un elèctrode mitjançant l'estratègia d'electropolimerització del grup pirrol. Els elèctodes modificats resultants s'han aplicat com a catalitzadors heterogenis. En ambdós casos els catalitzadors heterogenis han mostrat una activitat equiparable o superior a la del sistema homogeni corresponent. Finalment, s'ha assajat una reacció de catàlisi tàndem en què els dos catalitzadors (immobilitzats sobre el mateix elèctrode) actuen en cooperació. S'ha aconseguit realitzar dues transformacions consecutives d'un substat orgànic.

Síntesi, estructura i reactivitat de nous complexos de Cu, Ag i Ni contenint lligands triazamacrocíclics. Aplicacions en l'activació d'enllaços

· S'ha preparat i caracteritzat una família de complexos de Cu(III) contenint lligands triazamacrocíclics, estudiant-se les seves propietats estructurals, espectroscòpiques i redox. Aquesta àmplia família de complexos tenen un gran interès perquè permeten descriure les propietats dels complexos de Cu en un estat d'oxidació poc habitual i a més ens han permès mesurar de manera quantitativa l'efecte Meyerstein. · Una nova família de complexos de Cu(I) amb els lligands triazamacrocíclics es sintetitzada i caracteritzada per tècniques espectroscòpiques i estructurals, demostrant que aquests complexos presenten diferents estructures a l'estat sòlid i en dissolució. Així doncs, mentre que en dissolució es demostra per RMN que es tracta d'una espècie monomèrica, la determinació estructural per difracció de raigs X d'aquests complexos de Cu(I), ens confirma la formació d'espècies polimèriques. Per altra banda, s'ha estudiat la seva reactivitat; a) la seva implicació en la formació de lligands deuterats mitjançant l'intercanvi H/D en condicions suaus i b) la formació de complexos bisfenoxo a partir de la reactivitat entre els corresponents complexos de Cu(I) i oxigen molecular. De la mateixa manera, s'ha preparat el corresponent anàleg de Ag(I) en estat sòlid, obtenint la formació d'un polímer de Ag(I), el qual presenta a l'estat sòlid una estructura en forma de ziga-zaga, diferent a l'estructura del polímer de Cu(I), que és lineal. · S'ha determinat i proposat el mecanisme que té lloc en l'activació de l'enllaç C-H i posterior reacció de transferència per tal d'estabilitzar els productes finals mitjançant una reacció de desproporció. El seguiment de la reacció té lloc mitjançant tècniques espectroscòpiques com UV-vis. Dit seguiment, ens permet determinar les diferents influències electròniques sobre la reacció de formació dels complexos organometàl·lics de Cu(III). A més a més, el seguiment de la reacció a baixa temperatura ens permet determinar espectroscòpica i teòricament la formació d'un intermedi de Cu(II), i mitjançant la determinació dels paràmetres cinètics i termodinàmics es proposa un mecanisme de reacció. Posteriorment, s'ha assajat la reactivitat d'una sal de Cu(II) amb un lligand macrocíclic que conté un grup metil en el carboni orientat cap al centre del macrocicle, implicant la formació d'un intermedi agòstic. De la determinació estructural d'aquest intermedi de CuII i del lligand protonat, s'extreuen una sèrie de conclusions molt interessants, com són la demostració estructural de l'activació de l'enllaç C-C en la primera etapa de formació i de manera anàloga poder comparar-ho amb els sistemes macrocíclics HL2-HL6, demostrant la possible formació d'un intermedi agòstic, on es produeix l'activació de l'enllaç C-H. Aquesta similitud estaria d'acord amb els sistemes HL2-HL6, els quals espectroscòpica i teòricament s'havia detectat la presència d'un intermedi de característiques similars. Degut a l'acidesa d'aquest protó, i gràcies a la presència d'una base com és el propi lligand, aquest podia ésser extret donant lloc a la formació dels corresponents organometàl·lics de Cu(III). Dita estructura també representa un dels pocs exemples d'un organometàl·lic de CuII, un estat d'oxidació poc conegut dins d'aquest camp. · S'ha descrit la reactivitat dels nous complexos organometàl·lics de Cu(III), els quals sota medi pròtic i en condicions àcides o neutres són espècies totalment estables, però en condicions bàsiques o reductores aquestes espècies reaccionen donant lloc a la formació de noves espècies de tipus bisfenoxo, on el Cu es troba en estat d'oxidació +2. S'han caracteritzat mitjançant difracció de RX, on es s'observa l'entorn químic del Cu, la geometria del complex bisfenoxo i l'hidroxilació de l'anell aromàtic. · Finalment, s'ha descrit per primera vegada la síntesi i caracterització d'uns nous complexos organometàl·lics de Ni. Aquests són sintetitzats en base als càlculs teòrics realitzats sobre els nostres sistemes macrocíclics. Per aquests complexos hem investigat l'efecte del metall, canviant el coure per altres metalls de la primera sèrie de transició (Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn) i de la segona sèrie de transició (Ru, Rh, Pd, Ag). Els resultats demostren que el Ni(II), és el metall que presenta una major capacitat de l'activació de l'enllaç C-H en aquests sistemes aromàtics. Aquests compostos s'oxiden lentament cap a complexos de Ni(III). Per altra banda, l'addició d'una sal de clor sobre una solució d'un complex de Ni(II) permet aïllar el corresponent complex de Ni(III), caracteritzat per ressonància de spin electrònic

Pilot study of static immittance values before and after cochlear implantation

This paper discusses whether the use of tympanometry and current normative values are applicable in assessing middle ear status in children with cochlear implants.

A retrospective look at cochlear implantation of post-lingually deafened children

This paper examines the benefit of relatively immediate cochlear implantation in post-lingually deafened preschool children as compared with initiation and continuation of intervention with traditional hearing aids.

Balance function following cochlear implantation

Imbalance is a risk of cochlear implantation. This is particularly important in patients receiving bilateral implants, who are often children. 25 adult and pediatric patients undergoing cochlear implantation were tested pre-operatively and post-operatively using tests of balance function. Results showed moderate losses in some test paradigms following implantation in the patient group as a whole. While changes in balance function due to cochlear implantation are not uncommon, their practical effect on function may be minor.