Facile Synthesis of Anatase TiO2 Quantum-Dot/Graphene-Nanosheet Composites with Enhanced Electrochemical Performance for Lithium-Ion Batteries

A facile method to synthesize well-dispersed TiO₂ quantum dots on graphene nanosheets (TiO₂-QDs/GNs) in a water-in-oil (W/O) emulsion system is reported. The TiO₂/graphene composites display high performance as an anode material for lithium-ion batteries (LIBs), such as having high reversible lithium storage capacity, high Coulombic efficiency, excellent cycling stability, and high rate capability. The excellent electrochemical performance and special structure of the composites thus offer a way to prepare novel graphene-based electrode materials for high-energy-density and high-power LIBs. 

Weakly nonlinear ion-acoustic excitations in a relativistic model for dense quantum plasma

The dynamics of linear and nonlinear ionic-scale electrostatic excitations propagating in a magnetized relativistic quantum plasma is studied. A quantum-hydrodynamic model is adopted and degenerate statistics for the electrons is taken into account. The dispersion properties of linear ion acoustic waves are examined in detail. A modified characteristic charge screening length and "sound speed" are introduced, for relativistic quantum plasmas. By employing the reductive perturbation technique, a Zakharov-Kuznetzov-type equation is derived. Using the small-k expansion method, the stability profile of weakly nonlinear slightly supersonic electrostatic pulses is also discussed. The effect of electron degeneracy on the basic characteristics of electrostatic excitations is investigated. The entire analysis is valid in a three-dimensional as well as in two-dimensional geometry. A brief discussion of possible applications in laboratory and space plasmas is included.

Thin mercury film electrodes in dynamic speciation studies of metals

No presente trabalho, foi avaliado o desempenho e a aplicabilidade do eléctrodo de filme fino de mercúrio, em estudos de especiação dinâmica de metais vestigiais. Para tal, foram utilizadas duas técnicas electroanalíticas de redissolução: a clássica Voltametria de Redissolução Anódica (ASV) e a recentemente desenvolvida, Cronopotenciometria de Redissolução com varrimento do potencial de deposição (SSCP). As propriedades de troca-iónica e de transporte de massa de películas mistas preparadas a partir de dois polímeros com características distintas, o Nafion (NA) e o 4-Poliestireno sulfonato de sódio (PSS), foram avaliadas, antes da sua aplicação no âmbito da especiação de metais. Estas películas de NA-PSS demonstraram uma elevada sensibilidade, reprodutibilidade, estabilidade mecânica, bem como, propriedades de anti-bloqueio adequadas na modificação química do eléctrodo de filme fino de mercúrio (TMFE) e, na sua aplicação na determinação de catiões metálicos vestigiais em amostras complexas, por ASV. Para além disso, o desempenho de membranas do polielectrólito PSS em estudos de voltametria de troca-iónica (IEV) foi estudado. O objectivo desta investigação foi reunir as condições ideais na preparação de películas de PSS estáveis e com uma densidade de carga negativa elevada, de modo a aumentar a acumulação electrostática de catiões metálicos no filme polimérico e por conseguinte, conseguir incrementos no sinal voltamétrico. O desempenho e aplicabilidade do TMFE em estudos de especiação de metais vestigiais foram extendidos à SSCP como técnica analítica. Dada a elevada sensibilidade e resolução evidenciada pelo TMFE, este revelou ser uma alternativa adequada aos eléctrodos de mercúrio convencionais, podendo ser utilizado durante um dia de trabalho, sem degradação aparente do sinal analítico de SCP. As curvas de SSCP obtidas experimentalmente utilizando o TMFE estavam em concordância com aquelas previstas pela teoria. Para além disso, a constante de estabilidade (K) calculada a partir do desvio do potencial de meia-onda, para dois sistemas metal-complexo lábeis, aproxima-se não só do valor teórico, como também daquele obtido utilizando o eléctrodo de mercúrio de gota suspensa (HMDE). Adicionalmente, o critério experimental de labilidade inerente a esta técnica foi validado e o grau de labilidade para um dado sistema metal-complexo foi determinado, utilizando o filme fino de mercúrio depositado sob um eléctrodo rotativo (TMF-RDE). Este eléctrodo é muito útil na determinação de parâmetros cinéticos, como é o caso da constante de velocidade de associação (ka), uma vez que as condições hidrodinâmicas, durante a etapa de deposição, se encontram bem definidas.

Development of polyaniline microarray electrodes for cadmium analysis

Disposable screen-printed electrodes (SPCE) were modified using a cosmetic product to partially block the electrode surface in order to obtain a microelectrode array. The microarrays formed were electropolymerized with aniline. Scanning electron microscopy was used to evaluate the modified and polymerized electrode surface. Electrochemical characteristics of the constructed sensor for cadmium analysis were evaluated by cyclic and square-wave voltammetry. Optimized stripping procedure in which the preconcentration of cadmium was achieved by depositing at –1.20 V (vs. Ag/AgCl) resulted in a well defined anodic peak at approximately –0.7 V at pH 4.6. The achieved limit of detection was 4 × 10−9 mol dm−3. Spray modified and polymerized microarray electrodes were successfully applied to quantify cadmium in fish sample digests.

Citrate selective electrodes for the flow injection analysis of soft drinks, beers and pharmaceutical products

Aiming the establishment of simple and accurate readings of citric acid (CA) in complex samples, citrate (CIT) selective electrodes with tubular configuration and polymeric membranes plus a quaternary ammonium ion exchanger were constructed. Several selective membranes were prepared for this purpose, having distinct mediator solvents (with quite different polarities) and, in some cases, p-tert-octylphenol (TOP) as additive. The latter was used regarding a possible increase in selectivity. The general working characteristics of all prepared electrodes were evaluated in a low dispersion flow injection analysis (FIA) manifold by injecting 500µl of citrate standard solutions into an ionic strength (IS) adjuster carrier (10−2 mol l−1) flowing at 3ml min−1. Good potentiometric response, with an average slope and a repeatability of 61.9mV per decade and ±0.8%, respectively, resulted from selective membranes comprising additive and bis(2-ethylhexyl)sebacate (bEHS) as mediator solvent. The same membranes conducted as well to the best selectivity characteristics, assessed by the separated solutions method and for several chemical species, such as chloride, nitrate, ascorbate, glucose, fructose and sucrose. Pharmaceutical preparations, soft drinks and beers were analyzed under conditions that enabled simultaneous pH and ionic strength adjustment (pH = 3.2; ionic strength = 10−2 mol l−1), and the attained results agreed well with the used reference method (relative error < 4%). The above experimental conditions promoted a significant increase in sensitivity of the potentiometric response, with a supra-Nernstian slope of 80.2mV per decade, and allowed the analysis of about 90 samples per hour, with a relative standard deviation <1.0%.

Does Chance hide Necessity? : a reevaluation of the debate ‘determinism - indeterminism’ in the light of quantum mechanics and probability theory

Dans cette thèse l’ancienne question philosophique “tout événement a-t-il une cause ?” sera examinée à la lumière de la mécanique quantique et de la théorie des probabilités. Aussi bien en physique qu’en philosophie des sciences la position orthodoxe maintient que le monde physique est indéterministe. Au niveau fondamental de la réalité physique – au niveau quantique – les événements se passeraient sans causes, mais par chance, par hasard ‘irréductible’. Le théorème physique le plus précis qui mène à cette conclusion est le théorème de Bell. Ici les prémisses de ce théorème seront réexaminées. Il sera rappelé que d’autres solutions au théorème que l’indéterminisme sont envisageables, dont certaines sont connues mais négligées, comme le ‘superdéterminisme’. Mais il sera argué que d’autres solutions compatibles avec le déterminisme existent, notamment en étudiant des systèmes physiques modèles. Une des conclusions générales de cette thèse est que l’interprétation du théorème de Bell et de la mécanique quantique dépend crucialement des prémisses philosophiques desquelles on part. Par exemple, au sein de la vision d’un Spinoza, le monde quantique peut bien être compris comme étant déterministe. Mais il est argué qu’aussi un déterminisme nettement moins radical que celui de Spinoza n’est pas éliminé par les expériences physiques. Si cela est vrai, le débat ‘déterminisme – indéterminisme’ n’est pas décidé au laboratoire : il reste philosophique et ouvert – contrairement à ce que l’on pense souvent. Dans la deuxième partie de cette thèse un modèle pour l’interprétation de la probabilité sera proposé. Une étude conceptuelle de la notion de probabilité indique que l’hypothèse du déterminisme aide à mieux comprendre ce que c’est qu’un ‘système probabiliste’. Il semble que le déterminisme peut répondre à certaines questions pour lesquelles l’indéterminisme n’a pas de réponses. Pour cette raison nous conclurons que la conjecture de Laplace – à savoir que la théorie des probabilités présuppose une réalité déterministe sous-jacente – garde toute sa légitimité. Dans cette thèse aussi bien les méthodes de la philosophie que de la physique seront utilisées. Il apparaît que les deux domaines sont ici solidement reliés, et qu’ils offrent un vaste potentiel de fertilisation croisée – donc bidirectionnelle.

From Classical to Quantum Secret Sharing

Dans ce mémoire, nous nous pencherons tout particulièrement sur une primitive cryptographique connue sous le nom de partage de secret. Nous explorerons autant le domaine classique que le domaine quantique de ces primitives, couronnant notre étude par la présentation d’un nouveau protocole de partage de secret quantique nécessitant un nombre minimal de parts quantiques c.-à-d. une seule part quantique par participant. L’ouverture de notre étude se fera par la présentation dans le chapitre préliminaire d’un survol des notions mathématiques sous-jacentes à la théorie de l’information quantique ayant pour but primaire d’établir la notation utilisée dans ce manuscrit, ainsi que la présentation d’un précis des propriétés mathématique de l’état de Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) fréquemment utilisé dans les domaines quantiques de la cryptographie et des jeux de la communication. Mais, comme nous l’avons mentionné plus haut, c’est le domaine cryptographique qui restera le point focal de cette étude. Dans le second chapitre, nous nous intéresserons à la théorie des codes correcteurs d’erreurs classiques et quantiques qui seront à leur tour d’extrême importances lors de l’introduction de la théorie quantique du partage de secret dans le chapitre suivant. Dans la première partie du troisième chapitre, nous nous concentrerons sur le domaine classique du partage de secret en présentant un cadre théorique général portant sur la construction de ces primitives illustrant tout au long les concepts introduits par des exemples présentés pour leurs intérêts autant historiques que pédagogiques. Ceci préparera le chemin pour notre exposé sur la théorie quantique du partage de secret qui sera le focus de la seconde partie de ce même chapitre. Nous présenterons alors les théorèmes et définitions les plus généraux connus à date portant sur la construction de ces primitives en portant un intérêt particulier au partage quantique à seuil. Nous montrerons le lien étroit entre la théorie quantique des codes correcteurs d’erreurs et celle du partage de secret. Ce lien est si étroit que l’on considère les codes correcteurs d’erreurs quantiques étaient de plus proches analogues aux partages de secrets quantiques que ne leur étaient les codes de partage de secrets classiques. Finalement, nous présenterons un de nos trois résultats parus dans A. Broadbent, P.-R. Chouha, A. Tapp (2009); un protocole sécuritaire et minimal de partage de secret quantique a seuil (les deux autres résultats dont nous traiterons pas ici portent sur la complexité de la communication et sur la simulation classique de l’état de GHZ).

Interactive quantum information theory

La théorie de l'information quantique s'est développée à une vitesse fulgurante au cours des vingt dernières années, avec des analogues et extensions des théorèmes de codage de source et de codage sur canal bruité pour la communication unidirectionnelle. Pour la communication interactive, un analogue quantique de la complexité de la communication a été développé, pour lequel les protocoles quantiques peuvent performer exponentiellement mieux que les meilleurs protocoles classiques pour certaines tâches classiques. Cependant, l'information quantique est beaucoup plus sensible au bruit que l'information classique. Il est donc impératif d'utiliser les ressources quantiques à leur plein potentiel. Dans cette thèse, nous étudions les protocoles quantiques interactifs du point de vue de la théorie de l'information et étudions les analogues du codage de source et du codage sur canal bruité. Le cadre considéré est celui de la complexité de la communication: Alice et Bob veulent faire un calcul quantique biparti tout en minimisant la quantité de communication échangée, sans égard au coût des calculs locaux. Nos résultats sont séparés en trois chapitres distincts, qui sont organisés de sorte à ce que chacun puisse être lu indépendamment. Étant donné le rôle central qu'elle occupe dans le contexte de la compression interactive, un chapitre est dédié à l'étude de la tâche de la redistribution d'état quantique. Nous prouvons des bornes inférieures sur les coûts de communication nécessaires dans un contexte interactif. Nous prouvons également des bornes atteignables avec un seul message, dans un contexte d'usage unique. Dans un chapitre subséquent, nous définissons une nouvelle notion de complexité de l'information quantique. Celle-ci caractérise la quantité d'information, plutôt que de communication, qu'Alice et Bob doivent échanger pour calculer une tâche bipartie. Nous prouvons beaucoup de propriétés structurelles pour cette quantité, et nous lui donnons une interprétation opérationnelle en tant que complexité de la communication quantique amortie. Dans le cas particulier d'entrées classiques, nous donnons une autre caractérisation permettant de quantifier le coût encouru par un protocole quantique qui oublie de l'information classique. Deux applications sont présentées: le premier résultat général de somme directe pour la complexité de la communication quantique à plus d'une ronde, ainsi qu'une borne optimale, à un terme polylogarithmique près, pour la complexité de la communication quantique avec un nombre de rondes limité pour la fonction « ensembles disjoints ». Dans un chapitre final, nous initions l'étude de la capacité interactive quantique pour les canaux bruités. Étant donné que les techniques pour distribuer de l'intrication sont bien étudiées, nous nous concentrons sur un modèle avec intrication préalable parfaite et communication classique bruitée. Nous démontrons que dans le cadre plus ardu des erreurs adversarielles, nous pouvons tolérer un taux d'erreur maximal de une demie moins epsilon, avec epsilon plus grand que zéro arbitrairement petit, et ce avec un taux de communication positif. Il s'ensuit que les canaux avec bruit aléatoire ayant une capacité positive pour la transmission unidirectionnelle ont une capacité positive pour la communication interactive quantique. Nous concluons avec une discussion de nos résultats et des directions futures pour ce programme de recherche sur une théorie de l'information quantique interactive.

Current-density-functional approach to large quantum dots in intense magnetic fields

Within current-density-functional theory, we have studied a quantum dot made of 210 electrons confined in a disk geometry. The ground state of this large dot exhibits some features as a function of the magnetic field (Beta) that can be attributed in a clear way to the formation of compressible and incompressible states of the system. The orbital and spin angular momenta, the total energy, ionization and electron chemical potentials of the ground state, as well as the frequencies of far-infrared edge modes are calculated as a function of Beta, and compared with available experimental and theoretical results.

Transverse dipole spin modes in quantum dots

We have carried out a systematic analysis of the transverse dipole spin response of a large-size quantum dot within time-dependent current density functional theory. Results for magnetic fields corresponding to integer filling factors are reported, as well as a comparison with the longitudinal dipole spin response. As in the two-dimensional electron gas, the spin response at high-spin magnetization is dominated by a low-energy transverse mode.

Wave-vector dependence of spin and density multipole excitations in quantum dots

We have employed time-dependent local-spin density-functional theory to analyze the multipole spin and charge density excitations in GaAs-AlxGa1-xAs quantum dots. The on-plane transferred momentum degree of freedom has been taken into account, and the wave-vector dependence of the excitations is discussed. In agreement with previous experiments, we have found that the energies of these modes do not depend on the transferred wave vector, although their intensities do. Comparison with a recent resonant Raman scattering experiment [C. Schüller et al., Phys. Rev. Lett. 80, 2673 (1998)] is made. This allows us to identify the angular momentum of several of the observed modes as well as to reproduce their energies

Multiple edges of a quantum Hall system in a strong electric

In this paper we show that if the electrons in a quantum Hall sample are subjected to a constant electric field in the plane of the material, comparable in magnitude to the background magnetic field on the system of electrons, a multiplicity of edge states localized at different regions of space is produced in the sample. The actions governing the dynamics of these edge states are obtained starting from the well-known Schrödinger field theory for a system of nonrelativistic electrons, where on top of the constant background electric and magnetic fields, the electrons are further subject to slowly varying weak electromagnetic fields. In the regions between the edges, dubbed as the "bulk," the fermions can be integrated out entirely and the dynamics expressed in terms of a local effective action involving the slowly varying electromagnetic potentials. It is further shown how the bulk action is gauge noninvariant in a particular way, and how the edge states conspire to restore the U(1) electromagnetic gauge invariance of the system. In the edge action we obtain a heretofore unnoticed gauge-invariant term that depends on the particular edge. We argue that this term may be detected experimentally as different edges respond differently to a monochromatic probe due to this term

Quantum wire with periodic serial structure

Electron wave motion in a quantum wire with periodic structure is treated by direct solution of the Schrödinger equation as a mode-matching problem. Our method is particularly useful for a wire consisting of several distinct units, where the total transfer matrix for wave propagation is just the product of those for its basic units. It is generally applicable to any linearly connected serial device, and it can be implemented on a small computer. The one-dimensional mesoscopic crystal recently considered by Ulloa, Castaño, and Kirczenow [Phys. Rev. B 41, 12 350 (1990)] is discussed with our method, and is shown to be a strictly one-dimensional problem. Electron motion in the multiple-stub T-shaped potential well considered by Sols et al. [J. Appl. Phys. 66, 3892 (1989)] is also treated. A structure combining features of both of these is investigated

Effective mass and dielectric constant mismatch effects in spherical multishell quantum dots

The role of effective mass and dielectric mismatches on chemical potentials and addition energies of many-electron multishell quantum dots (QDs) is explored within the framework of a recent extension of the spin density functional theory. It is shown that although the gross electronic density is located in the wells of these multishell QDs, taking position-dependent effective mass and dielectric constant into account can lead to the appearance of relevant differences in chemical potential and addition energies as compared to standard calculations in which the effective mass and the dielectric constant of the well is assumed for the whole multishell structure.

Magnetic field effect on quantum corrections to the low-temperature conductivity in mettalic perovskite oxides

The transport and magnetotransport properties of the metallic and ferromagnetic SrRuO3 (SRO) and the metallic and paramagnetic LaNiO3 (LNO) epitaxial thin films have been investigated in fields up to 55 T at temperatures down to 1.8 K . At low temperatures both samples display a well-defined resistivity minimum. We argue that this behavior is due to the increasing relevance of quantum corrections to the conductivity (QCC) as temperature is lowered; this effect being particularly relevant in these oxides due to their short mean free path. However, it is not straightforward to discriminate between contributions of weak localization and renormalization of electron-electron interactions to the QCC through temperature dependence alone. We have taken advantage of the distinct effect of a magnetic field on both mechanisms to demonstrate that in ferromagnetic SRO the weak-localization contribution is suppressed by the large internal field leaving only renormalized electron-electron interactions, whereas in the nonmagnetic LNO thin films the weak-localization term is relevant.