New generation of two-dimensional spintronic systems realized by coupling of Rashba and Dirac fermions

Intriguing phenomena and novel physics predicted for two-dimensional (2D) systems formed by electrons in Dirac or Rashba states motivate an active search for new materials or combinations of the already revealed ones. Being very promising ingredients in themselves, interplaying Dirac and Rashba systems can provide a base for next generation of spintronics devices, to a considerable extent, by mixing their striking properties or by improving technically significant characteristics of each other. Here, we demonstrate that in BiTeI@PbSb2Te4 composed of a BiTeI trilayer on top of the topological insulator (TI) PbSb2Te4 weakly- and strongly-coupled Dirac-Rashba hybrid systems are realized. The coupling strength depends on both interface hexagonal stacking and trilayer-stacking order. The weakly-coupled system can serve as a prototype to examine, e.g., plasmonic excitations, frictional drag, spin-polarized transport, and charge-spin separation effect in multilayer helical metals. In the strongly-coupled regime, within similar to 100 meV energy interval of the bulk TI projected bandgap a helical state substituting for the TI surface state appears. This new state is characterized by a larger momentum, similar velocity, and strong localization within BiTeI. We anticipate that our findings pave the way for designing a new type of spintronics devices based on Rashba-Dirac coupled systems.

Parity-dependent State Engineering and Tomography in the ultrastrong coupling regime

Reaching the strong coupling regime of light-matter interaction has led to an impressive development in fundamental quantum physics and applications to quantum information processing. Latests advances in different quantum technologies, like superconducting circuits or semiconductor quantum wells, show that the ultrastrong coupling regime (USC) can also be achieved, where novel physical phenomena and potential computational benefits have been predicted. Nevertheless, the lack of effective decoupling mechanism in this regime has so far hindered control and measurement processes. Here, we propose a method based on parity symmetry conservation that allows for the generation and reconstruction of arbitrary states in the ultrastrong coupling regime of light-matter interactions. Our protocol requires minimal external resources by making use of the coupling between the USC system and an ancillary two-level quantum system.

Scalable quantum memory in the ultrastrong coupling regime

Circuit quantum electrodynamics, consisting of superconducting artificial atoms coupled to on-chip resonators, represents a prime candidate to implement the scalable quantum computing architecture because of the presence of good tunability and controllability. Furthermore, recent advances have pushed the technology towards the ultrastrong coupling regime of light-matter interaction, where the qubit-resonator coupling strength reaches a considerable fraction of the resonator frequency. Here, we propose a qubit-resonator system operating in that regime, as a quantum memory device and study the storage and retrieval of quantum information in and from the Z(2) parity-protected quantum memory, within experimentally feasible schemes. We are also convinced that our proposal might pave a way to realize a scalable quantum random-access memory due to its fast storage and readout performances.

Produção de biodiesel a partir da transesterificação de óleo de soja ácido por via enzimática

Neste trabalho, foi estudada a transesterificação enzimática do óleo de soja com álcool catalisada por lipase comercial imobilizada. Inicialmente foram investigados os efeitos da temperatura, do tipo de enzima (Novozym 435, Lipozyme RM-IM e Lipozyme TL-IM) e do tipo de álcool (etanol ou butanol) na síntese de biodiesel utilizando óleo de soja refinado. A melhor temperatura observada para as reações empregando Lipozyme TL IM e Lipozyme RM IM foi de 50C, enquanto que para a Novozym 435, a temperatura ótima foi de 70C. O maior teor em biodiesel (~60%) foi obtido na etanólise do óleo de soja a 70C utilizando Novozym 435 a 5% m/m. Também foi avaliada a síntese de biodiesel por via enzimática a partir da etanólise de óleos ácidos com índice de acidez (IA) (de 8,5, 54,4 e 93,7). A conversão do ácido graxo livre foi superior a 90% nas reações conduzidas com Novozym 435 nas reações com os três óleos ácidos testados. O teor em biodiesel foi próximo a 50% na etanólise do óleo de soja com índice de acidez de 8,5 empregando Lipozyme TL IM, porém para índices de acidez maiores este rendimento diminuiu. Para as reações conduzidas com Lipozyme RM-IM, o teor em biodiesel manteve-se em torno de 30% para todos os óleos ácidos investigados. A etanólise do óleo de soja refinado empregando reator de leito fixo em modo contínuo, a 50C, foi investigada variando a velocidade espacial dos reagentes (0,255 e 0,508 h-1), o tipo de lipase (Novozym 435, Lipozyme RM-IM e Lipozyme TL-IM) e a possibilidade de reuso do biocatalisador após lavagem com butanol. Na reação com Novozym 435, o teor em biodiesel foi de aproximadamente 50% e se manteve estável durante 4,5 h para as duas velocidades espaciais testadas. A lipase Lipozyme TL-IM apresentou teor em biodiesel maior do que o obtido nas reações com os outros biocatalisadores (~80%), porém não apresentou a mesma estabilidade. Foi observada uma queda significativa na produção de biodiesel nas reações empregando o reuso do biocatalisador

Síntese de ésteres derivados do ácido oléico empregando lipases produzidas por Yarrowia lipolytica

Biodiesel é um biocombustível que consiste na mistura de ésteres monoalquílicos de ácidos graxos de cadeia longa. O processo usual de produção deste combustível é a transesterificação de óleos vegetais com álcoois de cadeia curta. Nesse processo, a matéria prima deve conter baixo conteúdo de ácido graxos livres ( ≤ 1%) e água (≤ 0,5%). Como alternativa ao processo de transesterificação, destaca-se o emprego de matérias-primas de baixo custo, com elevado teor de ácidos graxos livres, para a síntese de ésteres alquílicos através de reações de esterificação. As reações de produção do biodiesel podem ser catalisadas por via química (ácida e básica) ou enzimática. Na catálise enzimática, os biocatalisadores empregados são as lipases, que catalisam a hidrólise e síntese de ésteres e podem ser obtidas a partir de microrganismos, plantas ou tecido animal, sendo as de origem microbiana as mais utilizadas. O objetivo principal deste trabalho foi avaliar o potencial da lipase de Yarrowia lipolytica, uma levedura não convencional, na síntese de ésteres do ácido oleico visando à obtenção de ésteres alquílicos (biodiesel). Foram estudados os efeitos da temperatura (25, 30, 35, 40, 50 e 60oC), do teor enzimático (5, 10, 20, 30 e 40% v/v) e do tipo de álcool (metanol, etanol, n-propanol e n-butanol ) nas reações de esterificação do ácido oleico empregando o extrato enzimático líquido produzido por Yarrowia lipolytica. Os resultados obtidos mostraram que as reações conduzidas a 30oC e com 10% v/v do extrato enzimático apresentaram maior taxa inicial de reação. Também foi avaliada a utilização do extrato enzimático liofilizado (5% m/v) e do PES (produto enzimático sólido) (5% m/v) de Yarrowia lipolytica na reação de esterificação do ácido oleico com n-butanol a 30oC. O maior consumo de ácido oleico ocorreu na reação conduzida com o PES. O efeito da temperatura (25, 30, 35, 40 e 50oC) na síntese de oleato de butila foi, então, investigado nas reações empregando PES como biocatalisador e a maior conversão de ácido oleico foi verificada na temperatura de 40oC

Estudo da reação entre o metanol e o acetato de etila em catalisadores Mg/La por espectroscopia no infravermelho acoplada a espectrometria de massas

A transesterificação metílica em meio homogêneo é catalisada por bases, tais como hidróxidos e alcóxidos de sódio ou potássio e se processa em baixa temperatura de reação, mesmo em escala industrial. A utilização de catalisadores formados por sólidos básicos aparece como uma alternativa promissora aos processos homogêneos convencionais, tendo em vista as inúmeras vantagens como a redução da ocorrência das reações indesejáveis de saponificação e redução de custos dos processos pela diminuição do número de operações associadas. Em estudos anteriores realizados pelo grupo, catalisadores a base de Mg/La com diferentes composições químicas (9:1, 1:1 e 1:9) mostraram-se promissores para a obtenção de ésteres metílicos via reação de transesterificação, porém não foi possível fazer uma correlação entre atividade catalítica e as propriedades físico-químicas quando toda a série foi considerada. Assim, a realização de um estudo de caráter fundamental, baseado em reações modelo e uso de moléculas sonda, permite avançar no entendimento das propriedades de superfície destes catalisadores. Portanto, o presente trabalho estuda a reação entre metanol e acetato de etila em catalisadores a base de Mg/La utilizando espectroscopia de reflectância difusa no infravermelho com transformada de Fourier (DRIFTS) acoplada a espectrometria de massas (MS) identificando os intermediários e produtos formados para determinar a rota reacional. As análises de difração de raios X mostram que os precursores são predominantemente compostos por carbonatos hidratados de magnésio (Mg/La 1:1 e 9:1) e de lantânio (Mg/La 1:9). Os perfis de decomposição térmica e difratogramas de raios X obtidos a partir de tratamento térmico in situ indicaram que estes carbonatos se decompõem apenas a partir de 750 C. As análises de Dessorção a Temperatura Programada realizadas com moléculas sonda, metanol e acetato de etila, mostraram a adsorção em maior quantidade do metanol independente da composição química do sólido. A partir dos resultados obtidos por DRIFTS-MS foi proposta uma rota reacional para a reação de transesterificação do acetato de etila e metanol, que ocorre via adsorção do metanol e do acetato de etila na superfície do catalisador, seguida da formação de um intermediário tetraédrico formado pelas moléculas adsorvidas, que sofre um rearranjo formando etanol, acetato de metila, acetona e metano. Simultaneamente, parte do metanol adsorvido como metoxi monodentado é desidrogenado formando formiatos que são dessorvidos na forma de formaldeído e decompostos formando CO2 e H2