Nanofiber control of ultracold quantum gases

While a great amount of attention is being given to the development of nanodevices, both through academic research and private industry, the field is still on the verge. Progress hinges upon the development of tools and components that can precisely control the interaction between light and matter, and that can be efficiently integrated into nano-devices. Nanofibers are one of the most promising candidates for such purposes. However, in order to fully exploit their potential, a more intimate knowledge of how nanofibers interact with single neutral atoms must be gained. As we learn more about the properties of nanofiber modes, and the way they interface with atoms, and as the technology develops that allows them to be prepared with more precisely known properties, they become more and more adaptable and effective. The work presented in this thesis touches on many topics, which is testament to the broad range of applications and high degree of promise that nanofibers hold. For immediate use, we need to fully grasp how they can be best implemented as sensors, filters, detectors, and switches in existing nano-technologies. Areas of interest also include how they might be best exploited for probing atom-surface interactions, single-atom detection and single photon generation. Nanofiber research is also motivated by their potential integration into fundamental cold atom quantum experiments, and the role they can play there. Combining nanofibers with existing optical and quantum technologies is a powerful strategy for advancing areas like quantum computation, quantum information processing, and quantum communication. In this thesis I present a variety of theoretical work, which explores a range of the applications listed above. The first work presented concerns the use of the evanescent fields around a nanofiber to manipulate an existing trapping geometry and therefore influence the centre-of-mass dynamics of the atom. The second work presented explores interesting trapping geometries that can be achieved in the vicinity of a fiber in which just four modes are allowed to propagate. In a third study I explore the use of a nanofiber as a detector of small numbers of photons by calculating the rate of emission into the fiber modes when the fiber is moved along next to a regularly separated array of atoms. Also included are some results from a work in progress, where I consider the scattered field that appears along the nanofiber axis when a small number of atoms trapped along that axis are illuminated orthogonally; some interesting preliminary results are outlined. Finally, in contrast with the rest of the thesis, I consider some interesting physics that can be done in one of the trapping geometries that can be created around the fiber, here I explore the ground states of a phase separated two-component superfluid Bose-Einstein condensate trapped in a toroidal potential.

Analyses of hydrocarbon gases and sulphate in sediments from the King George Basin, Antarctica

Thermogenic hydrocarbons, formed by the thermal alteration of organic matter, are encountered in several piston core stations in the King George Basin, Anatarctica. These hemipelagic sediments are being deposited in an area of active hydrothermalism, associated with the back-arc spreading in the Bransfield Strait. The lateral extent of sediments infiltrated by the hydrothermally influenced interstitial fluids is characterized by basalt diapiric intrusions and is delineated by an acoustically turbid zone in the sediments of the eastern part of the basin. Iron-sulphide-bearing veins and fractures cut across the sediment in several cores; they appear to be conduits for flow of hydrothermally altered fluids. These zones have the highest C2+ and ethene contents. The thermogenic hydrocarbons have molecular C1/(C2 + C3) ratios typically < 50 and delta13CH4 values between -38? and -48?, indicating an organic source which has undergone strong thermal stress. Several sediment cores also have mixed gas signatures, which indicate the presence of substantial amounts of bacterial gas, predominantly methane. Hydrocarbon generation in the King George Basin is thought to be a local phenomenon, resulting from submarine volcanism with temperatures in the range 70-150°C. There are no apparent seepages of hydrocarbons into the water column, and it is not believed that significant accumulation of thermogenic hydrocarbons reside in the basin.

Composition of noble gases in sediments and metasediments

Solar-type helium (He) and neon (Ne) in the Earth's mantle were suggested to be the result of solarwind loaded extraterrestrial dust that accumulated in deep-sea sediments and was subducted into the Earth's mantle. To obtain additional constraints on this hypothesis, we analysed He, Ne and argon (Ar) in high pressure-low temperature metamorphic rocks representing equivalents of former pelagic clays and cherts from Andros (Cyclades, Greece) and Laytonville (California, USA). While the metasediments contain significant amounts of 4He, 21Ne and 40Ar due to U, Th and K decay, no solar-type primordial noble gases were observed. Most of these were obviously lost during metamorphism preceding 30 km subduction depth. We also analysed magnetic fines from two Pacific ODP drillcore samples, which contain solar-type He and Ne dominated by solar energetic particles (SEP). The existing noble gas isotope data of deep-sea floor magnetic fines and interplanetary dust particles demonstrate that a considerable fraction of the extraterrestrial dust reaching the Earth has lost solar wind (SW) ions implanted at low energies, leading to a preferential occurrence of deeply implanted SEP He and Ne, fractionated He/Ne ratios and measurable traces of spallogenic isotopes. This effect is most probably caused by larger particles, as these suffer more severe atmospheric entry heating and surface ablation. Only sufficiently fine-grained dust may retain the original unfractionated solar composition that is characteristic for the Earth's mantle He and Ne. Hence, in addition to the problem of metamorphic loss of solar noble gases during subduction, the isotopic and elemental fractionation during atmospheric entry heating is a further restriction for possible subduction hypotheses.

Underway measurements of dissolved gases along POLARSTERN cruise track ANT-XXVII/2

We present measurements of pCO2, O2 concentration, biological oxygen saturation (Delta O2/Ar) and N2 saturation (Delta N2) in Southern Ocean surface waters during austral summer, 2010-2011. Phytoplankton biomass varied strongly across distinct hydrographic zones, with high chlorophyll a (Chla) concentrations in regions of frontal mixing and sea-ice melt. pCO2 and Delta O2 /Ar exhibited large spatial gradients (range 90 to 450 µatm and -10 to 60%, respectively) and co-varied strongly with Chla. However, the ratio of biological O2 accumulation to dissolved inorganic carbon (DIC) drawdown was significantly lower than expected from photosynthetic stoichiometry, reflecting the differential time-scales of O2 and CO2 air-sea equilibration. We measured significant oceanic CO2 uptake, with a mean air-sea flux (~ -20 mmol m-2 d-1) that significantly exceeded regional climatological values. N2 was mostly supersaturated in surface waters (mean Delta N2 of +2.5 %), while physical processes resulted in both supersaturation and undersaturation of mixed layer O2 (mean Delta O2phys = 2.1 %). Box model calculations were able to reproduce much of the spatial variability of Delta N2 and Delta O2phys along the cruise track, demonstrating significant effects of air-sea exchange processes (e.g. atmospheric pressure changes and bubble injection) and mixed layer entrainment on surface gas disequilibria. Net community production (NCP) derived from entrainment-corrected surface Delta O2 /Ar data, ranged from ~ -40 to > 300 mmol O2 m-2 d-1 and showed good coherence with independent NCP estimates based on seasonal mixed layer DIC deficits. Elevated NCP was observed in hydrographic frontal zones and regions of sea-ice melt with shallow mixed layer depths, reflecting the importance of mixing in controlling surface water light and nutrient availability.

Viabilidade do biodiesel de microalgas: otimização de técnicas de extração

Os problemas relacionados com o consumo energético e as emissões de poluentes relativas ao setor dos transportes representam seguramente a maior preocupação ao nível Europeu no que respeita aos gases com efeito de estufa e à poluição atmosférica. Uma das formas de resolver/minimizar estes problemas é através da aposta em combustíveis alternativos. Em particular, os biocombustíveis poderão ser uma alternativa interessante aos combustíveis convencionais. As microalgas, como matéria-prima para produção de biodiesel, apresentam-se com excelentes perspetivas de futuro e com vantagens competitivas no campo das energias renováveis. É nesta perspetiva que se enquadra o presente trabalho, cujos objetivos consistiram na extração de biodiesel a partir de microalgas secas (Nannochloropsis gaditana e Scenedesmus sp.) e na otimização das respetivas técnicas de extração lipídica. Verificou-se que, em função dos métodos e condições utilizadas, a espécie Nannochloropsis gaditana apresenta um potencial de produção de biodiesel superior à espécie Scenedesmus sp. (eficiências de extração de 24,6 (wt.%) e 9,4 (wt.%) respetivamente). Um método de rotura celular conjugado com o processo de extração lipídica via solvente orgânico é essencial, pois conseguiu-se um acréscimo de 42% no rendimento de extração, sendo 10 minutos o tempo ideal de operação. Solventes como o metanol e sistema de solventes diclorometano/metanol mostraram ser mais eficazes quando se pretende extrair lípidos de microalgas, com valores de eficiência de remoção de 30,9 (wt.%) e 23,2 (wt.%) respetivamente. De forma a valorizar os resultados obtidos no processo de extração recorreu-se à sua conversão em biodiesel através da transesterificação catalítica ácida, onde se obteve uma eficiência de conversão de 17,8 (wt.%) para a espécie Nannochloropsis gaditana.

Emisiones de gases de efecto invernadero en el humedal natural El Madrigal

En la presente investigaci?n se estudi? la din?mica de la generaci?n y captura de las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) en un humedal natural eutrofizado bajo condiciones tropicales denominado El Madrigal, ubicado en la vereda El Madrigal, del municipio de Riofr?o, Valle del Cauca. Con tal prop?sito se evalu? la variaci?n espacial de las emisiones de los GEI tales como metano (CH4), di?xido de carbono (CO2) y ?xido nitroso (N2O) y se estableci? su posible correlaci?n con par?metros de calidad de agua como pH, ox?geno disuelto, potencial de ?xido reducci?n, alcalinidad, fosfatos, nitratos entre otros y a su vez con el contenido de materia org?nica y nutrientes presente en los sedimentos. En este sentido, se determinaron y compararon las emisiones en cuatro puntos de muestreo establecidos en el humedal con caracter?sticas diferentes: P1 (Zona de intercambio de agua y sedimentos con R?o Cauca), P2 (Zona influenciada por actividades pisc?colas), P3 (Zona influenciada por vertimientos de aguas residuales y presencia de vegetaci?n) y P3A (Zona sin cobertura vegetal). En cada punto se realizaron mediciones de gases de efecto invernadero, par?metros in situ, calidad de agua y, sedimentos. Los valores de flux obtenidos evidenciaron que el humedal El Madrigal actu? como fuente y sumidero de gases de efecto invernadero durante todo el per?odo de muestreo. El punto P1 present? flux promedios de -1,96 ? 3,10 g.CH4.m-2 d-1; -0,12 ? 7,63 g.CO2.m-2 d-1 y 1,73 ? 5,75 mg.N2O.m-2 d-1. Para el caso del punto P2 se obtuvieron flux promedios de 0,898 ? 1,27 g.CH4.m-2 d-1; 1,03 ? 9,31 g.CO2.m-2 d-1 y -1,19 ? 5,08 mg.N2O.m-2 d-1. Por su parte el punto P3 evidenci? flux promedios de 3,08 ? 3,99 g.CH4.m-2 d-1; -2,74 ? 9,83 g.CO2.m-2 d-1 y 2,06 ? 5,20 mg.N2O.m-2 d-1. Por ?ltimo los flux promedios obtenidos para el punto P3A fueron 1,80 ? 6,89 g.CH4.m-2 d-1; 1,40 ? 8,40 g.CO2.m-2 d-1 y -1,24 ? 6,43 mg.N2O.m-2 d-1. Las pruebas estad?sticas indicaron que los flux de los gases de efecto invernadero estudiados presentaron una variaci?n espacial significativa entre los puntos muestreados. CH4 present? variaci?n entre los puntos P1, P2 y P3 (p<0.001 Mann-Whitney) y evidenci? similitudes entre los puntos P3A-P3 y P3A-P2 (p>0.05 Mann-Whitney). Para CO2 se evidenci? similitud para los flux obtenidos en los cuatro puntos (p>0.05 Mann-Whitney). Por su parte, para el ?xido nitroso tambi?n se present? un comportamiento similar en los cuatro puntos sin variaci?n significativa (p>0.05 Mann-Whitney). Con respecto a las relaciones entre los par?metros de calidad de agua, sedimentos y los flux de gases de efecto invernadero, se determin? que los par?metros con mayor influencia sobre la producci?n y consumo de CH4 CO2 y N2O fueron hierro f?rrico (Fe+3) Coeficiente Spearman = -73%), nitratos (NO3) (Coeficiente Spearman = -65%) y los nitritos (NO2) en sedimentos Coeficiente Spearman = 86%), respectivamente. Los resultados obtenidos en este estudio evidenciaron que la intervenci?n antr?pica contribuye al estado eutr?fico del ecosistema y este a su vez influencia la din?mica de producci?n y consumo de GEI favoreciendo el incremento en la generaci?n de estos, demandando medidas de manejo y control que permitan mitigar el impacto frente al cambio clim?tico

Determination of gases in sediments

A method was developed for sampling and analysis of gases contained in interstitial water. Interstitial water was separated from sediments with a filter press-type sediment squeezer and transferred to a specially designed sampler-stripper. Gases contained in the interstitial water were stripped from solution and analyzed by gas chromatography. Argon, N2, and CH4 have been measured in sediments. The technique can be used to measure total CO2 and H2S with minor modifications.

Avaliação de sensores de baixo custo e de métodos de referência para a monitorização da qualidade do ar

A crescente urbanização global tem como consequência o aumento dos níveis de poluentes na atmosfera e a respetiva deterioração da qualidade do ar. O controlo da poluição atmosférica e monitorização da qualidade do ar são passos fundamentais para implementar estratégias de redução e estimular a consciência ambiental dos cidadãos. Com este intuito, existem várias técnicas e tecnologias que podem ser usadas para monitorizar a qualidade do ar. A utilização de microsensores surge como uma ferramenta inovadora para a monitorização da qualidade do ar. E, apesar dos desempenhos dos microsensores permitirem uma nova estratégia, resultando em respostas rápidas, baixos custos operacionais e eficiências elevadas, que não podem ser alcançados apenas com abordagens convencionais, ainda é necessário aprofundar o conhecimento a fim de integrar estas novas tecnologias, particularmente quanto à verificação do desempenho dos sensores comparativamente aos métodos de referência em campanhas experimentais. Esta dissertação, desenvolvida no Instituto do Ambidente e Desenvolvimento em forma de estágio, teve como objetivo a avaliação do desempenho de sensores de baixo custo comparativamente com os métodos de referência, tendo como base uma campanha de monitorização da qualidade do ar realizada no centro de Aveiro durante 2 semanas de outubro de 2014. De forma mais específica pretende-se perceber até que ponto se podem utilizar sensores de baixo custo que cumpram os requisitos especificados na legislação e as especificidades das normas, estabelecendo assim um protocolo de avaliação de microsensores. O trabalho realizado passou ainda pela caracterização da qualidade do ar no centro de Aveiro para o período da campanha de monitorização. A aplicação de microsensores eletroquímicos, MOS e OPC em paralelo com equipamento de referência neste estudo de campo permitiu avaliar a fiabilidade e a incerteza destas novas tecnologias de monitorização. Com este trabalho verificou-se que os microsensores eletroquímicos são mais precisos comparativamente aos microsensores baseados em óxidos metálicos, apresentando correlações fortes com os métodos de referência para diversos poluentes. Por sua vez, os resultados obtidos pelos contadores óticos de partículas foram satisfatórios, contudo poderiam ser melhorados quer pelo modo de amostragem, quer pelo método de tratamento de dados aplicado. Idealmente, os microsensores deveriam apresentar fortes correlações com o método de referência e elevada eficiência de recolha de dados. No entanto, foram identificados alguns problemas na eficiência de recolha de dados dos sensores que podem estar relacionados com a humidade relativa e temperaturas elevadas durante a campanha, falhas de comunicação intermitentes e, também, a instabilidade e reatividade causada por gases interferentes. Quando as limitações das tecnologias de sensores forem superadas e os procedimentos adequados de garantia e controlo de qualidade possam ser cumpridos, os sensores de baixo custo têm um grande potencial para permitir a monitorização da qualidade do ar com uma elevada cobertura espacial, sendo principalmente benéfico em áreas urbanas.

Avaliação de sensores de baixo custo e de métodos de referência para a monitorização da qualidade do ar

A crescente urbanização global tem como consequência o aumento dos níveis de poluentes na atmosfera e a respetiva deterioração da qualidade do ar. O controlo da poluição atmosférica e monitorização da qualidade do ar são passos fundamentais para implementar estratégias de redução e estimular a consciência ambiental dos cidadãos. Com este intuito, existem várias técnicas e tecnologias que podem ser usadas para monitorizar a qualidade do ar. A utilização de microsensores surge como uma ferramenta inovadora para a monitorização da qualidade do ar. E, apesar dos desempenhos dos microsensores permitirem uma nova estratégia, resultando em respostas rápidas, baixos custos operacionais e eficiências elevadas, que não podem ser alcançados apenas com abordagens convencionais, ainda é necessário aprofundar o conhecimento a fim de integrar estas novas tecnologias, particularmente quanto à verificação do desempenho dos sensores comparativamente aos métodos de referência em campanhas experimentais. Esta dissertação, desenvolvida no Instituto do Ambidente e Desenvolvimento em forma de estágio, teve como objetivo a avaliação do desempenho de sensores de baixo custo comparativamente com os métodos de referência, tendo como base uma campanha de monitorização da qualidade do ar realizada no centro de Aveiro durante 2 semanas de outubro de 2014. De forma mais específica pretende-se perceber até que ponto se podem utilizar sensores de baixo custo que cumpram os requisitos especificados na legislação e as especificidades das normas, estabelecendo assim um protocolo de avaliação de microsensores. O trabalho realizado passou ainda pela caracterização da qualidade do ar no centro de Aveiro para o período da campanha de monitorização. A aplicação de microsensores eletroquímicos, MOS e OPC em paralelo com equipamento de referência neste estudo de campo permitiu avaliar a fiabilidade e a incerteza destas novas tecnologias de monitorização. Com este trabalho verificou-se que os microsensores eletroquímicos são mais precisos comparativamente aos microsensores baseados em óxidos metálicos, apresentando correlações fortes com os métodos de referência para diversos poluentes. Por sua vez, os resultados obtidos pelos contadores óticos de partículas foram satisfatórios, contudo poderiam ser melhorados quer pelo modo de amostragem, quer pelo método de tratamento de dados aplicado. Idealmente, os microsensores deveriam apresentar fortes correlações com o método de referência e elevada eficiência de recolha de dados. No entanto, foram identificados alguns problemas na eficiência de recolha de dados dos sensores que podem estar relacionados com a humidade relativa e temperaturas elevadas durante a campanha, falhas de comunicação intermitentes e, também, a instabilidade e reatividade causada por gases interferentes. Quando as limitações das tecnologias de sensores forem superadas e os procedimentos adequados de garantia e controlo de qualidade possam ser cumpridos, os sensores de baixo custo têm um grande potencial para permitir a monitorização da qualidade do ar com uma elevada cobertura espacial, sendo principalmente benéfico em áreas urbanas.

Um problema de dispersão de poluentes em rios e canais por meio do método de separação de variáveis

Neste trabalho obtém-se uma solução analítica para a equação de advecção-difusão aplicada a problemas de dispersão de poluentes em rios e canais. Para tanto, consideram-se os casos unidimensionais e bidimensionais em regime transiente com coeficientes de difusividade e velocidades constantes. A abordagem utilizada para a resolução deste problema é o método de Separação de Variáveis. Os modelos resolvidos foram simulados utilizando o MatLab. Apresentam-se os resultados das simulações numéricas em formato gráfico. Os resultados de algumas simulações numéricas existem na literatura e puderam ser comparados. O modelo proposto mostrou-se coerente em relação aos dados considerados. Para outras simulações não foram encontrados comparativos na literatura, todavia esses problemas governados por equações diferenciais parciais, mesmo lineares, não são de fácil solução analítica. Sendo que, muitas delas representam importantes problemas de matemática e física, com diversas aplicações na engenharia. Dessa forma, é de grande importância a disponibilidade de um maior número de problemas-teste para avaliação de desempenho de formulações numéricas, cada vez mais eficazes, já que soluções analíticas oferecem uma base mais segura para comparação de resultados.

Estudo numérico do impacto das emissões veiculares e fixas da cidade de Manaus nas concentrações de poluentes atmosféricos da região amazônica

The main aim of this study was to evaluate the impact of the urban pollution plume from the city of Manaus by emissions from mobile and stationary sources in the atmospheric pollutants concentrations of the Amazon region, by using The Weather Research and Forecasting with Chemistry (WRF-Chem) model. The air pollutants analyzed were CO, NOx, SO2, O3, PM2.5, PM10 and VOCs. The model simulations have been configured with a grid spacing of 3 km, with 190 x and 136 y grid points in horizontal spacing, centered in the city of Manaus during the period of 17 and 18 of March 2014. The anthropogenic emissions inventories have gathered from mobile sources that were estimated the emissions of light and heavy-duty vehicles classes. In addition, the stationary sources have considered the thermal power plants by the type of energy sources used in the region as well as the emissions from the refinery located in Manaus. Various scenarios have been defined with numerical experiments that considered only emissions by biogenic, mobile and stationary sources, and replacement fuel from thermal power plant, along with a future scenario consisting with twice as much anthropogenic emissions. A qualitative assessment of simulation with base scenario has also been carried out, which represents the conditions of the region in its current state, where several statistical methods were used in order to compare the results of air pollutants and meteorological fields with observed ground-based data located in various points in the study grid. The qualitative analysis showed that the model represents satisfactorily the variables analyzed from the point of view of the adopted parameters. Regarding the simulations, defined from the base scenarios, the numerical experiments indicate relevant results such as: it was found that the stationary sources scenario, where the thermal power plants are predominant, resulted in the highest concentrations, for all air pollutants evaluated, except for carbon monoxide when compared to the vehicle emissions scenario; The replacement of the energy matrix of current thermal power plants for natural gas have showed significant reductions in pollutants analyzed, for instance, 63% reductions of NOx in the contribution of average concentration in the study grid; A significant increase in the concentrations of chemical species was observed in a futuristic scenario, reaching up to a 81% increase in peak concentrations of SO2 in the study area. The spatial distributions of the scenarios have showed that the air pollution plume from Manaus is predominantly west and southwest, where it can reach hundreds of kilometers to areas dominated by original soil covering.