On Ultrafast Time-Domain TeraHertz Spectroscopy in the Condensed Phase: Linear Spectroscopic Measurements of Hydrogen-Bond Dynamics of Astrochemical Ice Analogs and Nonlinear TeraHertz Kerr Effect Measurements of Vibrational Quantum Beats

Much of the chemistry that affects life on planet Earth occurs in the condensed phase. The TeraHertz (THz) or far-infrared (far-IR) region of the electromagnetic spectrum (from 0.1 THz to 10 THz, 3 cm^-1 to 300 cm^-1, or 3000 μm to 30 μm) has been shown to provide unique possibilities in the study of condensed-phase processes. The goal of this work is to expand the possibilities available in the THz region and undertake new investigations of fundamental interest to chemistry. Since we are fundamentally interested in condensed-phase processes, this thesis focuses on two areas where THz spectroscopy can provide new understanding: astrochemistry and solvation science. To advance these fields, we had to develop new instrumentation that would enable the experiments necessary to answer new questions in either astrochemistry or solvation science. We first developed a new experimental setup capable of studying astrochemical ice analogs in both the TeraHertz (THz), or far-Infrared (far-IR), region (0.3 - 7.5 THz; 10 - 250 cm^-1) and the mid-IR (400 - 4000 cm^-1). The importance of astrochemical ices lies in their key role in the formation of complex organic molecules, such as amino acids and sugars in space. Thus, the instruments are capable of performing variety of spectroscopic studies that can provide especially relevant laboratory data to support astronomical observations from telescopes such as the Herschel Space Telescope, the Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy (SOFIA), and the Atacama Large Millimeter Array (ALMA). The experimental apparatus uses a THz time-domain spectrometer, with a 1750/875 nm plasma source and a GaP detector crystal, to cover the bandwidth mentioned above with ~10 GHz (~0.3 cm^-1) resolution.

Using the above instrumentation, experimental spectra of astrochemical ice analogs of water and carbon dioxide in pure, mixed, and layered ices were collected at different temperatures under high vacuum conditions with the goal of investigating the structure of the ice. We tentatively observe a new feature in both amorphous solid water and crystalline water at 33 cm^-1 (1 THz). In addition, our studies of mixed and layered ices show how it is possible to identify the location of carbon dioxide as it segregates within the ice by observing its effect on the THz spectrum of water ice. The THz spectra of mixed and layered ices are further analyzed by fitting their spectra features to those of pure amorphous solid water and crystalline water ice to quantify the effects of temperature changes on structure. From the results of this work, it appears that THz spectroscopy is potentially well suited to study thermal transformations within the ice.

To advance the study of liquids with THz spectroscopy, we developed a new ultrafast nonlinear THz spectroscopic technique: heterodyne-detected, ultrafast THz Kerr effect (TKE) spectroscopy. We implemented a heterodyne-detection scheme into a TKE spectrometer that uses a stilbazoiumbased THz emitter, 4-N,N-dimethylamino-4-N-methyl-stilbazolium 2,4,6-trimethylbenzenesulfonate (DSTMS), and high numerical aperture optics which generates THz electric field in excess of 300 kV/cm, in the sample. This allows us to report the first measurement of quantum beats at terahertz (THz) frequencies that result from vibrational coherences initiated by the nonlinear, dipolar interaction of a broadband, high-energy, (sub)picosecond THz pulse with the sample. Our instrument improves on both the frequency coverage, and sensitivity previously reported; it also ensures a backgroundless measurement of the THz Kerr effect in pure liquids. For liquid diiodomethane, we observe a quantum beat at 3.66 THz (122 cm^-1), in exact agreement with the fundamental transition frequency of the υ4 vibration of the molecule. This result provides new insight into dipolar vs. Raman selection rules at terahertz frequencies.

To conclude we discuss future directions for the nonlinear THz spectroscopy in the Blake lab. We report the first results from an experiment using a plasma-based THz source for nonlinear spectroscopy that has the potential to enable nonlinear THz spectra with a sub-100 fs temporal resolution, and how the optics involved in the plasma mechanism can enable THz pulse shaping. Finally, we discuss how a single-shot THz detection scheme could improve the acquisition of THz data and how such a scheme could be implemented in the Blake lab. The instruments developed herein will hopefully remain a part of the groups core competencies and serve as building blocks for the next generation of THz instrumentation that pushes the frontiers of both chemistry and the scientific enterprise as a whole.

Chemical composition of Iraq water resources (abbreviated translation) [Translation from: Vodnye Resursy 1975(4,) 173-185]

This abbreviated translation summarises the chemical composition of Iraq water resources. Among the described water bodies are the River Euphrates, Shatt al Arab River and a number of standing waters.

Theoretical investigations of experimental gravitation

This thesis has two basic themes: the investigation of new experiments which can be used to test relativistic gravity, and the investigation of new technologies and new experimental techniques which can be applied to make gravitational wave astronomy a reality.

Advancing technology will soon make possible a new class of gravitation experiments: pure laboratory experiments with laboratory sources of non-Newtonian gravity and laboratory detectors. The key advance in techno1ogy is the development of resonant sensing systems with very low levels of dissipation. Chapter 1 considers three such systems (torque balances, dielectric monocrystals, and superconducting microwave resonators), and it proposes eight laboratory experiments which use these systems as detectors. For each experiment it describes the dominant sources of noise and the technology required.

The coupled electro-mechanical system consisting of a microwave cavity and its walls can serve as a gravitational radiation detector. A gravitational wave interacts with the walls, and the resulting motion induces transitions from a highly excited cavity mode to a nearly unexcited mode. Chapter 2 describes briefly a formalism for analyzing such a detector, and it proposes a particular design.

The monitoring of a quantum mechanical harmonic oscillator on which a classical force acts is important in a variety of high-precision experiments, such as the attempt to detect gravitational radiation. Chapter 3 reviews the standard techniques for monitoring the oscillator; and it introduces a new technique which, in principle, can determine the details of the force with arbitrary accuracy, despite the quantum properties of the oscillator.

The standard method for monitoring the oscillator is the "amplitude- and-phase" method (position or momentum transducer with output fed through a linear amplifier). The accuracy obtainable by this method is limited by the uncertainty principle. To do better requires a measurement of the type which Braginsky has called "quantum nondemolition." A well-known quantum nondemolition technique is "quantum counting," which can detect an arbitrarily weak force, but which cannot provide good accuracy in determining its precise time-dependence. Chapter 3 considers extensively a new type of quantum nondemolition measurement - a "back-action-evading" measurement of the real part X₁ (or the imaginary part X₂) of the oscillator's complex amplitude. In principle X₁ can be measured arbitrarily quickly and arbitrarily accurately, and a sequence of such measurements can lead to an arbitrarily accurate monitoring of the classical force.

Chapter 3 describes explicit gedanken experiments which demonstrate that X₁ can be measured arbitrarily quickly and arbitrarily accurately, it considers approximate back-action-evading measurements, and it develops a theory of quantum nondemolition measurement for arbitrary quantum mechanical systems.

In Rosen's "bimetric" theory of gravity the (local) speed of gravitational radiation v_g is determined by the combined effects of cosmological boundary values and nearby concentrations of matter. It is possible for v_g to be less than the speed of light. Chapter 4 shows that emission of gravitational radiation prevents particles of nonzero rest mass from exceeding the speed of gravitational radiation. Observations of relativistic particles place limits on v_g and the cosmological boundary values today, and observations of synchrotron radiation from compact radio sources place limits on the cosmological boundary values in the past.

Condições de contorno albedo para cálculos globais de reatores nucleares térmicos com o modelo de ordenadas discretas a dois grupos de energia

Como eventos de fissão induzida por nêutrons não ocorrem nas regiões nãomultiplicativas de reatores nucleares, e.g., moderador, refletor, e meios estruturais, essas regiões não geram potência e a eficiência computacional dos cálculos globais de reatores nucleares pode portanto ser aumentada eliminando os cálculos numéricos explícitos no interior das regiões não-multiplicativas em torno do núcleo ativo. É discutida nesta dissertação a eficiência computacional de condições de contorno aproximadas tipo albedo na formulação de ordenadas discretas (SN) para problemas de autovalor a dois grupos de energia em geometria bidimensional cartesiana. Albedo, palavra de origem latina para alvura, foi originalmente definido como a fração da luz incidente que é refletida difusamente por uma superfície. Esta palavra latina permaneceu como o termo científico usual em astronomia e nesta dissertação este conceito é estendido para reflexão de nêutrons. Este albedo SN nãoconvencional substitui aproximadamente a região refletora em torno do núcleo ativo do reator, pois os termos de fuga transversal são desprezados no interior do refletor. Se o problema, em particular, não possui termos de fuga transversal, i.e., trata-se de um problema unidimensional, então as condições de contorno albedo, como propostas nesta dissertação, são exatas. Por eficiência computacional entende-se analisar a precisão dos resultados numéricos em comparação com o tempo de execução computacional de cada simulação de um dado problema-modelo. Resultados numéricos para dois problemas-modelo com de simetria são considerados para ilustrar esta análise de eficiência.

A formalism based on moments for classical and quantum cosmology

Spanish Relativity Meeting (ERE 2014) Valencia, SPAIN, SEP 01-05, 2014

Aperfeiçoamento da previsão global em séries temporais caóticas

A previsão de valores futuros em séries temporais produzidas por sistemas caóticos pode ser aplicada em diversas áreas do conhecimento como Astronomia, Economia, Física, Medicina, Meteorologia e Oceanografia. O método empregado consiste na reconstrução do espaço de fase seguido de um termo de melhoria da previsão. As rotinas utilizadas para a previsão e análise nesta linha de pesquisa fazem parte do pacote TimeS, que apresenta resultados encorajadores nas suas aplicações. O aperfeiçoamento das rotinas computacionais do pacote com vistas à melhoria da acurácia obtida e à redução do tempo computacional é construído a partir da investigação criteriosa da minimização empregada na obtenção do mapa global. As bases matemáticas são estabelecidas e novas rotinas computacionais são criadas. São ampliadas as possibilidades de funções de ajuste que podem incluir termos transcendentais nos componentes dos vetores reconstruídos e também possuir termos lineares ou não lineares nos parâmetros de ajuste. O ganho de eficiência atingido permite a realização de previsões e análises que respondem a perguntas importantes relacionadas ao método de previsão e ampliam a possibilidade de aplicações a séries reais.

Estudo da quantificação de incertezas para o problema de contaminação de meios porosos heterogêneos

As técnicas de injeção de traçadores têm sido amplamente utilizadas na investigação de escoamentos em meios porosos, principalmente em problemas envolvendo a simulação numérica de escoamentos miscíveis em reservatórios de petróleo e o transporte de contaminantes em aquíferos. Reservatórios subterrâneos são em geral heterogêneos e podem apresentar variações significativas das suas propriedades em várias escalas de comprimento. Estas variações espaciais são incorporadas às equações que governam o escoamento no interior do meio poroso por meio de campos aleatórios. Estes campos podem prover uma descrição das heterogeneidades da formação subterrânea nos casos onde o conhecimento geológico não fornece o detalhamento necessário para a predição determinística do escoamento através do meio poroso. Nesta tese é empregado um modelo lognormal para o campo de permeabilidades a fim de reproduzir-se a distribuição de permeabilidades do meio real, e a geração numérica destes campos aleatórios é feita pelo método da Soma Sucessiva de Campos Gaussianos Independentes (SSCGI). O objetivo principal deste trabalho é o estudo da quantificação de incertezas para o problema inverso do transporte de um traçador em um meio poroso heterogêneo empregando uma abordagem Bayesiana para a atualização dos campos de permeabilidades, baseada na medição dos valores da concentração espacial do traçador em tempos específicos. Um método do tipo Markov Chain Monte Carlo a dois estágios é utilizado na amostragem da distribuição de probabilidade a posteriori e a cadeia de Markov é construída a partir da reconstrução aleatória dos campos de permeabilidades. Na resolução do problema de pressão-velocidade que governa o escoamento empregase um método do tipo Elementos Finitos Mistos adequado para o cálculo acurado dos fluxos em campos de permeabilidades heterogêneos e uma abordagem Lagrangiana, o método Forward Integral Tracking (FIT), é utilizada na simulação numérica do problema do transporte do traçador. Resultados numéricos são obtidos e apresentados para um conjunto de realizações amostrais dos campos de permeabilidades.

A sede do deserto: Lavoura arcaica e a parábola do pródigo

Desde que foi publicado, em 1975, Lavoura arcaica vem intrigando os leitores com a sua dessemelhança. Em meio a livros que absorviam a violência do regime militar brasileiro, Raduan Nassar surgiu com uma obra estranha, que se nutria de uma linguagem poética profundamente ressonante, do pensamento monoteísta mediterrâneo, da herança cultural árabe, da subversão pela via da sexualidade. O tempo passou, o escritor abandonou a literatura, muita coisa interessante foi dita sobre o romance, mas seus enigmas são ainda sementes lançadas em solo fértil. Lavoura arcaica é mais uma releitura da prolífica parábola do filho pródigo, presente no Evangelho de Lucas e reelaborada inúmeras vezes ao longo dos seus dois mil anos de existência. A história do jovem rebelde que decide romper os laços com a família para se lançar no mundo tem se mostrado generosa para com a imaginação de muitos autores, que se dispuseram a reescrevê-la com o filtro de suas óticas particulares. Alguns deles estão no presente trabalho: Gide, Kipling, Kafka, Rilke, Dalton Trevisan, Lúcio Cardoso e também o teólogo católico Henri Nouwen. Apesar das variações, a volta para casa ocupa em todas as narrativas um lugar privilegiado. Essa é uma história, afinal, sobre os motivos que levam o sujeito a ir embora e, mais ainda, sobre as razões que fazem com que regresse. Arrependimento, recomeço, fraqueza, derrota, amor? A despeito das muitas antíteses que encontramos no texto de Raduan, elas não exigem que façamos uma escolha entre o arcaico e o moderno, entre ficar ou partir, entre o individual e o coletivo, entre a contenção e a entrega. Essa é a questão: Lavoura arcaica não é um livro sobre a luta do bem contra o mal, da liberdade contra a opressão, mas um painel que mostra como tudo isso se mistura na mesma paisagem ou, parafraseando o personagem André, como as coisas só se unem se desunindo

Identidade, exílio e memória: representações da cultura árabe na ficção brasileira contemporânea

Ao trazer registros de como a cultura árabe ou o imigrante árabe foi representado pela literatura brasileira desde os escritos coloniais, pretendemos refletir sobre a ficção brasileira contemporânea, que, diferentemente dos períodos anteriores, lança um olhar profundo sobre a imigração árabe para o Brasil, o que possibilita uma releitura do processo de inserção do imigrante na sociedade brasileira, principalmente para os descendentes de primeira e segunda geração. O corpus escolhido é composto por duas narrativas: o romance Dois irmãos (2000), de Milton Assi Hatoum, escritor manaura, nascido em 1950, filho de imigrantes árabes sírio-libaneses; e a narrativa O enigma de Qaf (2004), de Alberto Mussa, carioca, nascido em 1961, neto de imigrantes árabes. Nossa pesquisa busca demonstrar que as obras ficcionais de escritores descendentes de imigrantes permitem uma reflexão densa sobre os conflitos da condição migrante, porém numa perspectiva diferente da visão estereotipada ou mesmo de uma tematização preconceituosa. Entendemos ser a literatura um espaço privilegiado para trazer à tona outras visões sobre a cultura árabe, deixando de lado, consequentemente, a única história já delineada pelo colonizador europeu, aquela contida nos livros didáticos, divulgada nos grandes meios de comunicação de massa e na história universal, segundo a qual os árabes são terroristas, fundamentalistas, desumanos, opressores da mulher, o turco da prestação, o vendedor ambulante. Trata-se, assim, de adotar um viés pós-colonial, segundo os estudos de Eloína Patri dos Santos (2005), na medida em que, sob tal viés, o colonizado pode relatar a sua experiência, de acordo com a sua própria versão, com a sua voz. A análise é elaborada por meio de três eixos: o ethos identitário, o pathos do exílio e o logos da memória. Com a abordagem desses eixos, buscamos enfatizar a construção, nos dois romances, de um espaço de enriquecimento cultural por meio de personagens despidos de exageros folclóricos, de uma ambientação sem exotismos, da tematização de ritos árabes sem estereótipos, e, principalmente, do maior legado da cultura árabe para a humanidade: a língua árabe. Buscamos, dessa forma, contribuir para uma maior compreensão da ficção brasileira contemporânea, além de colaborar com as pesquisas que tratam das representações e figurações do árabe produzidas no Brasil

Condições de contorno tipo albedo para cálculos globais de reatores nucleares com o modelo de dois grupos de energia na formulação de transporte SN em geometria bidimensional cartesiana

Os eventos de fissão nuclear, resultados da interação dos nêutrons com os núcleos dos átomos do meio hospedeiro multiplicativo, não estão presentes em algumas regiões dos reatores nucleares, e.g., moderador, refletor, e meios estruturais. Nesses domínios espaciais não há geração de potência nuclear térmica e, além disso, comprometem a eficiência computacional dos cálculos globais de reatores nucleares. Propomos nesta tese uma estratégia visando a aumentar a eficiência computacional dessas simulações eliminando os cálculos numéricos explícitos no interior das regiões não-multiplicativas (baffle e refletor) em torno do núcleo ativo. Apresentamos algumas modelagens e discutimos a eficiência da aplicação dessas condições de contorno aproximadas tipo albedo para uma e duas regiões nãomultiplicativas, na formulação de ordenadas discretas (SN) para problemas de autovalor a dois grupos de energia em geometria bidimensional cartesiana. A denominação Albedo, palavra de origem latina para alvura, foi originalmente definida como a fração da luz incidente que é refletida difusamente por uma superfície. Esta denominação latina permaneceu como o termo científico usual em astronomia e, nesta tese, este conceito é estendido para reflexão de nêutrons. Estas condições de contorno tipo albedo SN não-convencional substituem aproximadamente as regiões de baffle e refletor no em torno do núcleo ativo do reator, desprezando os termos de fuga transversal no interior dessas regiões. Se o problema, em particular, não possui termos de fuga transversal, i.e., trata-se de um problema unidimensional, então as condições de contorno albedo, como propostas nesta tese, são exatas. Por eficiência computacional entende-se a análise da precisão dos resultados numéricos em comparação com o tempo de execução computacional de cada simulação de um dado problema-modelo. Resultados numéricos considerando dois problemas-modelo com de simetria são considerados para ilustrar esta análise de eficiência.