Quantum Gas Mixtures and Dual-Species Atom Interferometry in Space

The capability to reach ultracold atomic temperatures in compact instruments has recently been extended into space. Ultracold temperatures amplify quantum effects, while free-fall allows further cooling and longer interactions time with gravity - the final force without a quantum description. On Earth, these devices have produced macroscopic quantum phenomena such as Bose-Einstein condensation (BECs), superfluidity, and strongly interacting quantum gases. Quantum sensors interfering the superposition of two ultracold atomic isotopes have tested the Universality of Free Fall (UFF), a core tenet of Einstein's classical gravitational theory, at the $10^{-12}$ level. In space, cooling the elements needed to explore the rich physics of strong interactions and preparing the multiple species required for quantum tests of the UFF has remained elusive. Here, utilizing upgraded capabilities of the multi-user Cold Atom Lab (CAL) instrument within the International Space Station (ISS), we report the first simultaneous production of a dual species Bose-Einstein condensate in space (formed from $^{87}$Rb and $^{41}$K), observation of interspecies interactions, as well as the production of $^{39}$K ultracold gases. We have further achieved the first space-borne demonstration of simultaneous atom interferometry with two atomic species ($^{87}$Rb and $^{41}$K). These results are an important step towards quantum tests of UFF in space, and will allow scientists to investigate aspects of few-body physics, quantum chemistry, and fundamental physics in novel regimes without the perturbing asymmetry of gravity

EXPLORING THE DIPOLAR GROUND STATE OF ULTRACOLD 6Li40K MOLECULES VIA SINGLET STATES

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPHY (CQT

Synthesis of heterocyclic sulfur compounds

In the present work the following topics have been studied. I. 2-Thiouracils and 2-thiocytosines. a) The reaction of 2-ethoxy-methylenemalonic acid diethylester, as electrophile, with different thioureas, as nucleophiles, under acidic conditions. Depending on the reaction conditions these reactions were directed in the formation of 2-thiouracil derivatives, under stronger reaction conditions or in the corresponding open chain isomers, the 2-ethylenethioureas, under mild reaction conditions. The former were transformed under stronger reaction conditions to 2-thiouracils. b) The analogous sequence was followed in the case of using the reaction scheme of 2-ethoxymethylenemalononitrile with thioureas, resulting to the corresponding 2-ethylenethioureas or to 2-thiocytosine derivatives under milder or stronger reaction conditions respectively. c) The reaction of ethyl 2-ethoxymethylene-1-cyanoacetate with thioureas resulted in different thiocytosine-thiouracil mixtures, difficulty separable and only from the reaction with N-methylthiourea and N-phenylthiourea the reactions were directed exclusively to the corresponding 5-carbethoxy-2-thiocytosines. On the basis of the results obtained it was proved that the nucleophilic vinylic substitution of the ethoxy group in all ethoxymethylene derivatives used in the acidic environment, at room temperature, is easier than the corresponding reactions in the basic media, therefore the isolation of 2-ethylenethiourea derivatives is possible, unlike to basic conditions for which more vigorous conditions needed by which the simultaneous cyclization to the corresponding derivatives, thiocytosines or thiouracils occurs. It was proved finally that the nucleophilic vinylic substitution was faster under acidic conditions than under basic. This difference can be explained by the fact that the protonation makes the ethoxy group better leaving group than the ethoxy anion at basic conditions. On the other hand the protonation of the cyano or the carbonyl group of the ester makes these more electrophiles to nucleophilic attack by the second amino group of the thioureas, and therefore to cyclization. Inversely under basic conditions the nucleophile, propably the amide anion is stronger than the corresponding amine moiety. It must be pointed out that only the simple thiourea and the N-monosubstituted thioureas gave the 2-thiocytosines and 2-thiouracils through the corresponding 2-ethylenethioureas as intermediates, whereas from N,N-disubstituted thioureas only the ethylenethioureas were formed, as expected. On the other hand the reaction of N,N’-disubstitutedthioureas appears inert in the nucleophilic vinylic substitution, on the ethoxy group, rather for stereochemical reasons. The only products that could be obtained were from the reactions of N,N’-dimethyl- and N,N’-diphenyl-thiourea with the 2-ethoxymethylenemalonic acid diethylester under vigorous conditions, which proved to be the corresponding 1,3-dimethyl- and 1,3-diphenylthiobarbituric acids. Preliminary experiments using a domestic microwave oven under different reaction conditions and substrates, such as silica and alumina, showed that the cyclization of some ethylene-thioureas to the corresponding thiouracils is a quantitative and environmentally friendly process. II. 2-Amino-4-cyanopyrroles For comparative reasons the reactions of 2-ethoxymethylenemalononitrile with a series of aminomethylene derivatives bearing electron withdrawing substitutes on the methylene, therefore active methylene compounds were studied. Here a known general method was applied resulting to new 3-amino-4cyanopyrroles, a class of compounds which may be useful pro-drugs, especially for the synthesis of poly-condensated heterocycles.Στα πλαίσια της παρούσας εργασίας μελετήθηκε η παρασκευή 2-θειουρακιλών, 2-θειοκυτοσινών και 2-αμινο-4-κυανο-πυρρολίων. Πιο συγκεκριμένα σχετικά με: Ι. Τις 2-θειουρακίλες και 2-θειοκυτοσίνες. α) Μελετήθηκε η αντίδραση του αιθοξυ-μεθυλενο-μηλονικού διαιθυλεστέρα (ηλεκτρονιόφιλο) με διάφορες θειουρίες (πυρηνόφιλα) σε όξινες συνθήκες. Σε έντονες συνθήκες αντίδρασης σχηματίστηκαν οι 2-θειουρακίλες ενώ σε ήπιες συνθήκες αντίδρασης σχηματίστηκαν τα αντίστοιχα ανοιχτά ισομερή, οι 2-αιθυλενοθειουρίες. Οι τελευταίες με μια δεύτερη αντίδραση, σε έντονες συνθήκες, κυκλοποιήθηκαν στις αντίστοιχες 2-θειουρακίλες. β) Κατ’ αναλογία μελετήθηκε η αντίδραση του αιθοξυ-μεθυλενο-μηλονονιτριλίου με θειουρίες. Η παραπάνω σειρά αντιδράσεων οδήγησε στο σχηματισμό 2-αιθυλενο-θειουριών και 2-θειοκυτοσινών, σε ήπιες και σε έντονες συνθήκες αντίστοιχα. γ) Η αντίδραση του αιθοξυ-μεθυλενο-κυανοξικού αιθυλεστέρα με θειουρίες οδήγησε στο σχηματισμό δύσκολα διαχωρίσιμων μιγμάτων θειοκυτοσινών-θειουρακιλών. Μόνο η αντίδραση του αιθοξυ-μεθυλενο-κυανοξικού αιθυλεστέρα με τη Ν-μεθυλο-θειουρία και τη Ν-φαινυλο-θειουρία οδήγησε αποκλειστικά στο σχηματισμό των αντίστοιχων 5-καρβαιθοξυ-2-θειοκυτοσινών. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα των αντιδράσεων που πραγματοποιήθηκαν αποδεικνύεται ότι η πυρηνόφιλη βινυλική υποκατάσταση της αιθόξυ ομάδας σε όλα τα αιθοξυ-μεθύλενο παράγωγα, σε όξινες συνθήκες σε θερμοκρασία δωματίου είναι ευκολότερη από ότι σε βασικές συνθήκες αντίδρασης σε θερμοκρασία δωματίου. Γι’ αυτό το λόγο στην πρώτη περίπτωση είναι η εφικτή η απομόνωση των 2-αιθυλενο-θειουριών ενώ στη δεύτερη δεν είναι. Όταν στη δεύτερη περίπτωση εφαρμοστούν έντονες συνθήκες αντί των 2-αιθυλενο-θειουριο-παραγώγων λαμβάνονται οι αντίστοιχες 2-θειοκυτοσίνες ή 2-θειουρακίλες, γιατί πραγματοποιείται ταυτόχρονα ο σχηματισμός του 2-αιθυλενο-θειουριο-παραγώγου και η κυκλοποίησή του στην αντίστοιχη 2-θειοκυτοσίνη ή 2-θειουρακίλη. Επιπλέον, αποδεικνύεται ότι η πυρηνόφιλη βινυλική υποκατάσταση στις όξινες συνθήκες είναι γρηγορότερη από ότι στις βασικές. Αυτό συμβαίνει γιατί στις όξινες συνθήκες η αιθόξυ ομάδα πρωτονιώνεται και επομένως γίνεται καλύτερη αποχωρούσα ομάδα από τη μη πρωτονιωμένη μορφή της (βασικές συνθήκες). Επιλέον η πρωτονίωση της κύανο ομάδας ή του καρβονυλίου της εστερομάδας τις καθιστά περισσότερο ηλεκτρονιόφιλες και ευνοεί την πυρηνόφιλη προσβολή τους από τη δεύτερη αμινομάδα των θειουριών, και επομένως την κυκλοποίηση. Πρέπει να σημειωθεί ότι οι Ν,Ν-διυποκατεστημενες-θειουρίες αντέδρασαν με τα παραπάνω ενεργά αιθοξυ-αιθυλένια και έδωσαν αποκλειστικά τα αντίστοιχα 2-αιθυλενο-θειουριο-παράγωγα, τόσο σε έντονες όσο και σε ήπιες συνθήκες ενώ οι Ν,Ν΄-διυποκατεστημενες-θειουρίες, λόγω στερικών παραγόντων δεν αντέδρασαν μέσω πυρηνόφιλης βινυλικής υποκατάστασης με τα ενεργά αιθοξυ-αιθυλένια. Τα μόνα προϊόντα που απομονώθηκαν ήταν από την αντίδραση της Ν,Ν΄-διμεθυλο- και Ν,Ν΄-διφαινυλο-θειουρίας με τον αιθοξυ-μεθυλενο-μηλονικό διαιθυλεστέρα, σε έντονες συνθήκες. Τα προϊόντα αυτά ήταν το 1,3-διμεθυλο-θειοβαρβιτουρικό οξύ και το 1,3-διφαινυλο-θειοβαρβιτουρικό οξύ, αντίστοιχα. Επίσης, πραγματοποιήθηκαν προκατακτικά πειράματα με τη χρήση οικιακού φούρνου μικροκυμάτων, σε διάφορες συνθήκες αντίδρασης (τεχνική, ισχύ μικροκυματικής ακτινοβολίας, είδος υποστρώματος). Η χρήση των μικροκυμάτων, γενικά συνιστά φιλική προς το περιβάλλον τεχνική σύνθεσης. Η επίδραση της μικροκυματικής ακτινοβολίας οδήγησε στην κυκλοποίηση ορισμένων αιθυλενο-θειουριών. Οι αντιδράσεις ήταν ποσοτικές, χρειάστηκαν λιγότερη ενέργεια και χρόνο για να πραγματοποιηθούν. II. 2-Αμινο-4-κυανο-πυρρόλια. Για συγκριτικούς λόγους πραγματοποιήθηκαν αντιδράσεις του αιθοξυ-μεθυλενο-μηλονονιτριλίου με διάφορα αμινο-μεθύλενο παράγωγα τα οποία έφεραν ως υποκαταστάτες στο μεθυλένιο, δέκτες ηλεκτρονίων. Οι δέκτες ηλεκτρονίων ενεργοποιούν το μεθυλένιο. Εφαρμόστηκε γνωστή μέθοδος για την παρασκευή 2-αμινο-4-κυανο-πυρρολίων. Τα 2-αμινο-4-κυανο-πυρρόλια παρουσιάζουν σημαντικό ενδιαφέρον για τη φαρμακευτική χημεία

ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΚΑΙ ΜΕΛΕΤΗ ΝΑΝΟΣΥΝΘΕΤΩΝ ΠΟΛΥΜΕΡΙΚΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΜΕ ΝΑΝΟΔΟΜΕΣ ΟΞΕΙΔΙΟΥ ΤΟΥ ΨΕΥΔΑΡΓΥΡΟΥ

Στην παρούσα μεταπτυχιακή εργασία μελετώνται η ελεγχόμενη σύνθεση νανοδομών και συγκεκριμένα νανοδομών οξειδίου του ψευδαργύρου (ZnO) και οι παράμετροι που επηρεάζουν τα δομικά και μορφολογικά χαρακτηριστικά τους κατά την σύνθεσή τους, με απώτερο στόχο την δημιουργία σύνθετων πολυμερικών μητρών που εμπεριέχουν λειτουργικές νανοδομές. Επιπρόσθετα, διερευνήθηκαν οι συνθήκες που απαιτούνται για την διασπορά τους σε πολυμερική μήτρα πολυ(μεθακρυλικού μεθυλεστέρα) (ΡΜΜΑ) για την δημιουργία νανοσύνθετων πολυμερών που αξιοποιούνται ως αισθητήρες. Αρχικά, αναπτύχθηκαν νανοδομές οξειδίου του ψευδαργύρου με την σολβοθερμική και την υδροθερμική μέθοδο και εξετάστηκαν οιπαράμετροι που μπορούν να οδηγήσουν στην ελεγχόμενη σύνθεση τους. Ο χαρακτηρισμός των νανοδομών έγινε με τη χρήση των τεχνικών Μικροσκοπίας Ηλεκτρονικής Σάρωσης (Scanning Electron Microscopy-SEM) και Περίθλασης Ακτινών X (X Ray Diffraction-XRD). Έπειτα, επιλέχθησαν νανοδομές βάσει των μορφολογικών τους χαρακτηριστικώνκαι της κρυσταλλικότητάς τους και αναμείχθηκαν με διάλυμα PMMA με σκοπό τη δημιουργία νανοσύνθετων πολυμερικών υλικών. Μελετήθηκαν οι διαλύτες και οι συγκεντρώσεις που μπορούν να βελτιστοποιήσουν τη διασπορα των ZnO στο PMMA. Τα νανοσύνθετα υλικά που προέκυψαν επιστρώθηκαν σε ηλεκτρονικές διατάξεις πυριτίου (Si) ενδοπλεκομένων ηλεκτροδίων, οι οποίες χαρακτηρίστηκαν ηλεκτρικά και μελετήθηκαν ως προς τη συμπεριφορά τους ως αισθητήρες υγρασίας. Από την προαναφερθείσα μελέτη προέκυψε ότι σημαντικότεροι παράγοντες επίδρασης της μορφολογίας της σχηματιζόμενης νανοδομής ήταν η συγκέντρωση του δότη υδροξυλίων, καθώς και η παρουσία επιπρόσθετου δότη υδροξυλίων. Τα πειραματικά αποτελέσματα ανέδειξαν την ακετόνη ως καλύτερο διαλύτη του ZnO καθώς και του PMMA σε σχέση με το τολουόλιο. Διαπιστώθηκε ότι η αύξηση της συγκέντρωσης του ZnO στο διάλυμα του PMMA βοηθάει στη δημιουργία πιο διεσπαρμένων δομών, καθώς και ότι η διαφορετική μορφολογία των νανοδομών επηρεάζει την απόκρισή τους ως αισθητήρες.In this thesis, the controlled nanostructures synthesis of zinc oxide (ZnO) nanostructures as well as the factors that influence their structural and morphological features during synthesis are examined. These factors are studied under the scope of creating polymeric matrices which contain functional nanostructures. In particular, this study focuses on synthesizing nanostructures with controllable morphological characteristics by experimenting on various parameters of synthesis that affect the geometric characteristics of the resulting structures. Additionally, the required conditions for their dispersion in the polymeric matrix of polymethyl methacrylate (PMMA) have been studied with an aim to form polymer nanocomposites that would be used as humidity sensors. At the beginning, ZnO nanostructures are grown by solvothermal and hydrothermal processes while several parameters are studied in order to achieve controllable growth of ZnO nanostructures. The characterization of the nanostructures has been achieved with the use of X-Ray Diffraction (XRD) and Scanning Electron Microscopy (SEM). Next, ZnO nanostructures were selected according to their morphological and crystallity characteristics and were dispersed into PMMA solution with the ultimate aim of producing nanocomposite materials. The main parameter tested for the optimization of solubility and dispersion was that of the solvent. The produced ZnO/PMMA polymer nanocomposites were coated on IDEs (Interdigitated Electrodes) sensors, then were classified electrically and their response in humidity was also tested. Experiments proved that acetone is better solvent in comparison to toluene for polymeric nanocomposites ZnO/PMMA while IDEs coated with ZnO/PMMA polymeric nanocomposite produced appeared to be able to be used as humidity sensors

Empirical LiK excited state potentials: Connecting short range and near dissociation expansions

10.1039/d1cp04707hPhysical Chemistry Chemical Physics2463933-394

Low-Phase-Noise High-Power Diode Laser Systems for the STIRAP Transfer of Ultracold LiK Molecules

Optica Quantum 2.0 Conference and ExhibitionQTh3B

Quantum gas mixtures and dual-species atom interferometry in space

The capability to reach ultracold atomic temperatures in compact instruments has recently been extended into space. Ultracold temperatures amplify quantum effects, whereas free fall allows further cooling and longer interactions time with gravity - the final force without a quantum description. On Earth, these devices have produced macroscopic quantum phenomena such as Bose–Einstein condensates (BECs), superfluidity, and strongly interacting quantum gases. Terrestrial quantum sensors interfering the superposition of two ultracold atomic isotopes have tested the universality of free fall (UFF), a core tenet of Einstein’s classical gravitational theory, at the 10^-12 level. In space, cooling the elements needed to explore the rich physics of strong interactions or perform quantum tests of the UFF has remained elusive. Here, using upgraded hardware of the multiuser Cold Atom Lab (CAL) instrument aboard the International Space Station (ISS), we report, to our knowledge, the first simultaneous production of a dual-species BEC in space (formed from 87Rb and 41K), observation of interspecies interactions, as well as the production of 39K ultracold gases. Operating a single laser at a magic wavelength at which Rabi rates of simultaneously applied Bragg pulses are equal, we have further achieved the first spaceborne demonstration of simultaneous atom interferometry with two atomic species (87Rb and 41K). These results are an important step towards quantum tests of UFF in space and will allow scientists to investigate aspects of few-body physics, quantum chemistry and fundamental physics in new regimes without the perturbing asymmetry of gravity