Transport of Brownian particles under asymmetrical potentials

Treballs Finals de Grau de Física, Facultat de Física, Universitat de Barcelona, Curs: 2023, Tutor: Carles Calero BorralloIn this work we simulate the 1D movement of a Brownian particle under the actuation of a ratchet-like potential, to verify if we can achieve transport and what conditions are necessary. In particular, we study two simplified cases inspired by real-life experiments: a particle in a system of wells separated by some distance, and a moving dipole in a chain of dipole

Disseny d’una marquesina fotovoltaica per l’aparcament de RENFE de Vilanova i la Geltrú

La implantació del vehicle elèctric a Europa és actualment un dels objectius energètics principals a assolir i, mitjançant grans inversions en aquest sector, està previst que augmenti fins al punt d’ocupar més de la meitat del total de l’àmbit automobilístic entre els anys 2030 i 2050. A més, la capacitat de generar energia addicional es fonamenta i dirigeix cada cop més en les instal·lacions d’energies renovables de manera que creen, conjuntament amb el vehicle elèctric, un impacte ambiental positiu en la reducció d’emissions de CO2, les quals suposen a dia d’avui un elevat percentatge en la contaminació de gasos d’efecte hivernacle. Espanya, però, és dels països més endarrerits pel que fa a l’aplicació del vehicle elèctric, motiu pel qual pretén incentivar projectes relacionats amb aquest àmbit. És per aquestes raons esmentades que el present document, presentat per un futur enginyer elèctric i un mecànic de la Universitat Politècnica de Catalunya, exposa un projecte amb el qual pretén crear un sistema d’alimentació autònom en el disseny d’unes marquesines, utilitzant plaques solars fotovoltaiques per subministrar energia de manera sostenible a punts de recàrrega lenta i ràpida per a vehicles elèctrics. A més, també pretén fer una proposta de millora i renovació de l’enllumenat de la zona mitjançant la tecnologia LED. Més concretament, aquest projecte inclou el disseny estructural de marquesines amb plaques fotovoltaiques a la seva coberta, el disseny del sistema fotovoltaic i el disseny del sistema elèctric que han de permetre abastir els punts de recàrrega i l’enllumenat d’un pàrquing obert de la localitat de Vilanova i la Geltrú. L’energia obtinguda de manera sostenible i autònoma a través d’energies renovables s’utilitzaria per alimentar aquests punts de recàrrega, fet que incentivaria i habilitaria l’ús dels vehicles elèctrics a la ciutat, però també s’utilitzaria per l’enllumenat públic, cosa que contribuiria a reduir la despesa en electricitat i a crear un model de ciutat més sostenible i respectuós amb el medi ambient. A part de fer un anàlisi tècnic, també es pretén fer un estudi econòmic del que suposa el fet de realitzar la instal·lació fotovoltaica i d’instal·lar les marquesines, juntament amb l’impacte ambiental que suposa

Long distance manipulation of a levitated nanoparticle in high vacuum

Accurate delivery of small targets in high vacuum is a pivotal task in many branches of science and technology. Beyond the different strategies developed for atoms, proteins, macroscopic clusters and pellets, the manipulation of neutral particles over macroscopic distances still poses a formidable challenge. Here we report a novel approach based on a mobile optical trap operated under feedback control that enables long range 3D manipulation of a silica nanoparticle in high vacuum. We apply this technique to load a single nanoparticle into a high-finesse optical cavity through a load-lock vacuum system. We foresee our scheme to benefit the field of optomechanics with levitating nano-objects as well as ultrasensitive detection and monitoring.Comment: 12 pages 5 figure

Cavity optomechanics with optically trapped particles

Optical trapping and manipulation have emerged as powerful tools to investigate single microscopic objects in a controlled environment. Using the momentum carried by light, forces can be exerted to confine and manipulate objects in a wide range of conditions ranging from liquid environments to high vacuum. In this thesis I implement different optical manipulation schemes to trap nano-objects and coupled them to optical cavities, giving rise to a cavity optomechanical interaction between the trapped object and the cavity mediated by the light¿s radiation-pressure. In a first experiment I implement a mobile optical tweezer (MobOT) with nanometer precision to place a levitated silica nanosphere at the standing wave of a high Finesse Fabry-Perot cavity aiming to cool its center of mass motion to the ground state at room temperature. To attain this goal I design a two step cooling process that starts with a parametrical modulation of the optical trapping potential which pre-cools the center of mass motion along the three axis. Then driving the cavity with a red-detuned laser furthers cool the particle motion along the cavity axis via the optomechanical interaction. To monitor the particle motion in the optical trap, I implement a highly robust and sensitive detection scheme that collects the trap forward scattered field and sends it to a set of three balanced photodiodes. According to a semiclassical model I present, this approach can resolve the nanoparticle motion down to a single phonon excitation provided a shot noise limited balance detector. I also study the use of plasmonic nanoapertures as a novel optomechanical system that increases by 10^8 the single photon optomechanical coupling strength between the trapped nanoparticle and the cavity. These experiments are performed in the overdamped regime and result into a large optomechanical interaction that allows direct measurement of dynamical modulation of the trapping potential due to the motion of the trapped object. Different detuning regimes are studied aiming to improve the optical trapping performances at low laser intensities. These findings are supported by finite element simulations. Finally I have also made use of optical traps to perform non-equilibrium thermodynamic processes with an optically trapped microparticle in a virtual thermal bath. The virtual bath consists of an electrical white noise force. The agreement between the temperatures obtained from equilibrium and non-equilibrium measurements demonstrates the accuracy of this method. Supported by theory and simulations, our experiments highlight the importance of properly choosing the sampling rate and noise bandwidth for the validity of the method. We apply this technique to study non-equilibrium isothermal compression-expansion cycles at different temperatures ranging from room temperature to 3000K. We calculate some thermodynamic functionals for these processes such as work, heat and entropy. We show that work distributions verify the Crooks fluctuation theorem, and that they fit well to a generalized Gamma Function.L'atrapament i manipulació òptiques han esdevingut tècniques importants en la investigació d'objectes microscòpics en condicions controlades. Gràcies al moment lineal de la llum, es poden exercir forces per confinar i manipular aquests objectes en un ampli ventall de condicions que van des de líquids a alt buit. En aquesta tesi he implementat diferents tècniques de manipulació òptica per atrapar i acoblar nanopartícules a cavitats òptiques, donant lloc a una interacció optomecànica a traves de la pressió de radiació de la llum. En un primer experiment he implementat una pinça òptica mòbil amb precisió nanométrica per tal de posicionar una nanoesfera de SiO2 a l'ona estacionaria de una cavitat òptica Fabry-Perot d'alta finesa amb l'objectiu de refredar el seu centre de massa fins a l'estat fonamental. Per aconseguir aquest objectiu he dissenyat un procés de refradament en dos passos. Primer aconseguim un pre-refredament de centre de massa en les tres direccions modulant paramètricament el potencial òptic. Després, fent us de la cavitat il·luminada amb un làser desplaçat cap al vermell, aconseguim un refredament addicional en la direcció de l'eix òptic de la cavitat gràcies a la interacció optomecànica. Per registrar el moviment de la partícula a la trampa òptica, implemento un sistema de detecció interferomètrica robust i sensible que recull els fotons dispersats per la nanopartícula i els envia a tres fotodíodes balancejats. D`'acord amb un model semiclàssic que presento, aquest mètode es capaç de resoldre el moviment de la nanopartícula fins al nivell de un sol fonó sempre i quan es disposi de detectors amb soroll electrònic inferior al soroll quàntic de la trampa òptica. També estudio l'ús de nano-apertures plasmòniques com a nou sistema optomecànic que incrementa en un factor 10^8 la força d'acoblament optomecànic d'un sol fotó entre la partícula i la cavitat. Aquests experiments són realitzats en condicions sobre-esmorteïdes i aconsegueixen una interacció optomecánica prou gran com per resoldre la modulació dinàmica del potencial òptic causada pel desplaçament de la partícula atrapada. En aquest sistema estudiem diferents condicions de de-sintonització per tal de millorar el rendiment d'aquestes trampes amb potències de làser baixes. Aquests resultats els contrastem amb simulacions d'elements finits. Finalment també he fet servir trampes òptiques per estudiar processos termodinàmics fora de l'equilibri amb una micropartícula en un bany tèrmic virtual. Aquest bany tèrmic consisteix en una força electrònica amb un espectre blanc. La concordança entre les temperatures obtingudes a través de mesures en processos d'equilibri i de no-equilibri demostra precisió d'aquest mètode. Amb l'ajuda d'un model analític i de simulacions, els nostres experiments remarquen la importància d'escollir adequadament la freqüència de mostreig i del soroll per tal de garantir la validesa d'aquest mètode. Fent us d'aquesta tècnica estudiem cicles de compressió i expansió isotèrmics en el no-equilibri a temperatures que van des dels 300K als 3000K. Calculant diferents funcionals termodinàmics com el treball i el calor demostrem que les distribucions de no-equilibri satisfan el teorema de fluctuació de Crooks i que s'ajusten a adequadament a una funció Gamma generalitzada

Circulación baroclínica e inducida por viento en el puerto de Tarragona (España)

The sustainability of harbour management from an environmental standpoint is a current concern for port authorities. It includes dealing with problems that may affect the quality of in-harbour waters. In semi-enclosed basins, the characteristics of the circulation pattern are one of the main factors influencing the water quality, since they determine the residence time of pollutants inside the basin and govern the interaction between inside waters and the cleaner outside waters. Although harbour hydrodynamics are affected by the constant traffic of vessels and the physical constraints imposed by harbour structures, the water dynamics in ports are generally governed by three mechanisms: tidal forcing, wind surface stress, and baroclinic effects. This study presents the characterisation of winter circulation features in Tarragona harbour (northeast Spain), based on both field data and numerical simulations. Due to the microtidal nature of the Mediterranean Sea, three-dimensional water density distribution and local wind are expected to be the most relevant driving mechanisms. The results obtained suggest that, although wind effects may be important in determining the water flow in and out of the harbour for small time-scales, in the long term the most important water exchange mechanism is related to the waterbody’s baroclinic structure, with wind forcing playing only a second-order role. La gestión sostenible de los puertos desde un punto de vista ambiental es un tema de interés actual y un objetivo para las autoridades portuarias. Este tipo de administración incluye el tratamiento de problemas que pueden afectar a la calidad de las aguas interiores del puerto. En cuerpos de agua semicerrados, uno de los factores que más influye en la calidad del agua son las características del patrón de circulación, puesto que gobiernan la interacción entre aguas interiores y aguas exteriores más limpias, y determinan el tiempo de residencia de contaminantes dentro del recinto. Si bien las corrientes dentro de los puertos se ven afectadas continuamente por el tráfico de buques y por las restricciones físicas impuestas por las propias estructuras portuarias, la hidrodinámica general está dominada por tres mecanismos distintos: mareas, tensión de viento, y efectos baroclínicos. Este estudio presenta la caracterización de la circulación invernal en el Puerto de Tarragona (España), basada en datos de campo y en simulaciones numéricas. Debido al carácter micromareal del Mediterráneo, se espera que los forzamientos más relevantes sean el viento local y la distribución tridimensional de la densidad del agua. Los resultados obtenidos sugieren que, si bien los efectos del viento pueden ser importantes para determinar el flujo de agua hacia el interior del puerto para escalas de tiempo reducidas, a largo plazo el mecanismo más importante de intercambio de agua con el exterior está asociado a la estructura baroclínica del cuerpo de agua, siendo el forzamiento por viento un agente secundario

Instabilities of the harmonic oscillator with fluctuating damping

We investigate the instabilities of a linear damped oscillator due to fluctuations of the damping parameter. The fluctuations are driven either by Gaussian white noise or Poisson white noise (white shot noise). We consider three notions of stability. The first two are the well-known notions of stability in the mean and stability in the mean square. We introduce the concept of thermodynamic stability, corresponding to a nonpositive rate of energy dissipation at all times. We derive analytical results for the various instability thresholds, confirm the validity of our approach for white shot noise by numerical simulations, and obtain the unexpected result that mean-square and thermodynamic stability coincide for the two types of white noise

Optical and electrical feedback cooling of a silica nanoparticle levitated in a Paul trap

All three motional modes of a charged dielectric nanoparticle in a Paul trap are cooled by direct feedback to temperatures of a few mK. We test two methods, one based on electrical forces and the other on optical forces; for both methods, we find similar cooling efficiencies. Cooling is characterized for both feedback forces as a function of feedback parameters, background pressure, and the particle's position

Realization of nonequilibrium thermodynamic processes using external colored noise

We investigate the dynamics of single microparticles immersed in water that are driven out of equilibrium in the presence of an additional external colored noise. As a case study, we trap a single polystyrene particle in water with optical tweezers and apply an external electric field with flat spectrum but a finite bandwidth of the order of kHz. The intensity of the external noise controls the amplitude of the fluctuations of the position of the particle and therefore of its effective temperature. Here we show, in two different nonequilibrium experiments, that the fluctuations of the work done on the particle obey the Crooks fluctuation theorem at the equilibrium effective temperature, given that the sampling frequency and the noise cutoff frequency are properly chosen