Optical coherence tomography with a nonlinear interferometer

The project aims at studying the functioning of an optical coherence scheme that make use of a nonlinear interferometer. We will consider the best configuration, the sensitivity that can be achieved and the maximum power that can be generated.We derive what is the signal and the sensitivity of a nonlinear interferometer (Mach-Zehnder or Michelson), that is a novel approach to perform Optical Coherence Tomography (OCT). The physical idea behind this goes back to seminal work done by L. Mandel?s group in 1991 [1]. We demonstrate that the use of input coherent light improve the strength of the detected signal in terms of intensity, noise and sensitivity. Finally, we present the counterintuitive differences between considering a single frequency beam or a beam with a certain bandwidth

Complementarity relationship between first-order coherence and path distinguishability in an interferometer based on induced coherence

We consider an interferometer based on the concept of induced coherence, where two signal photons that originate in different second-order nonlinear crystals can interfere. We derive a complementarity relationship that links the first-order coherence between the two interfering signal photons with a parameter that quantifies the distinguishing information regarding the nonlinear crystal where they originated. Astonishingly, the derived relationship goes beyond the single-photon regime and is valid for any photon flux rate generated. We show experimental results in the low photon-flux regime that confirm the validity of the derived complementarity relationship.Comment: 6 pages, 6 figure

Disseny i realització d’una campanya de mesures aerodinàmiques sobre objectes

El túnel de vent és una eina d’investigació emprada en aerodinàmica per estudiar l’efecte del moviment de l’aire al voltant d’objectes sòlids. En aquest projecte, s’ha dut a terme una campanya de mesures aerodinàmiques en el túnel de vent de l’Escola Superior d’Enginyeria de Telecomunicació i Aeronàutica de Castelldefels (EETAC) amb anemometria de fil calent i amb Tub de Pitot sobre el perfil cilíndric AF101, el perfil alar NACA 0012 i diversos automòbils a escala. D’aquesta manera, s’han trobat els principals paràmetres aerodinàmics que els caracteritzen. Finalment, s’han extret conclusions de la resistència aerodinàmica que presenten els automòbils tot comparant les seves forces de drag.2014/201

Observation of second sound in a rapidly varying temperature field in Ge

Second sound is known as the thermal transport regime where heat is carried by temperature waves. Its experimental observation was previously restricted to a small number of materials, usually in rather narrow temperature windows. We show that it is possible to overcome these limitations by driving the system with a rapidly varying temperature field. This effect is demonstrated in bulk Ge between 7 kelvin and room temperature, studying the phase lag of the thermal response under a harmonic high frequency external thermal excitation, addressing the relaxation time and the propagation velocity of the heat waves. These results provide a new route to investigate the potential of wave-like heat transport in almost any material, opening opportunities to control heat through its oscillatory nature.Comment: After careful revision we have ruled out the presence of coherent noise and from any other noise source within the reported data. We have updated the manuscript providing a detailed analysis of the photoreflectance signal, demonstrating with experiments its thermal origi

A General and Predictive Understanding of Thermal Transport from 1D- and 2D-Confined Nanostructures : Theory and Experiment

Altres ajuts: Acord transformatiu CRUE-CSICHeat management is crucial in the design of nanoscale devices as the operating temperature determines their efficiency and lifetime. Past experimental and theoretical works exploring nanoscale heat transport in semiconductors addressed known deviations from Fourier's law modeling by including effective parameters, such as a size-dependent thermal conductivity. However, recent experiments have qualitatively shown behavior that cannot be modeled in this way. Here, we combine advanced experiment and theory to show that the cooling of 1D- and 2D-confined nanoscale hot spots on silicon can be described using a general hydrodynamic heat transport model, contrary to previous understanding of heat flow in bulk silicon. We use a comprehensive set of extreme ultraviolet scatterometry measurements of nondiffusive transport from transiently heated nanolines and nanodots to validate and generalize our ab initio model, that does not need any geometry-dependent fitting parameters. This allows us to uncover the existence of two distinct time scales and heat transport mechanisms: an interface resistance regime that dominates on short time scales and a hydrodynamic-like phonon transport regime that dominates on longer time scales. Moreover, our model can predict the full thermomechanical response on nanometer length scales and picosecond time scales for arbitrary geometries, providing an advanced practical tool for thermal management of nanoscale technologies. Furthermore, we derive analytical expressions for the transport time scales, valid for a subset of geometries, supplying a route for optimizing heat dissipation

Listado de especies y subespecies cavernícolas (hipogeas) consideradas como troglobias y estigobias de la península ibérica e islas Baleares

La fauna hipogea o cavernícola ibero-balear ha sido a lo largo de muchos años puesta en evidencia por numerosos zoólogos en las distintas disciplinas. Especialistas de los distintos grupos faunísticos capaces de colonizar las cuevas y las aguas subterráneas que las recorren. Hoy sabemos que esta diversidad de troglobios y estigobios alcanza un total de 1364 taxones: 1285 especies y 79 subespecies hipogeas (cavernícolas) pertenecientes a cuatro filos: Plathyhelminthes (2), Annelida (23), Mollusca (122) y Arthropoda (1217) en todo el territorio ibero-balear. Una fauna que cuenta con numerosos ejemplos de elementos relictos de especial interés paleogeográfico. De la totalidad de taxones hipogeos o cavernícolas del territorio ibero balear, 438 taxones (430 especies y 8 subespecies) son estigobios y 926 taxones (852 especies y 74 subespecies) son troglobios. En lo referente a la distribución de los taxones troglobios es el distrito Cantábrico el que posee una mayor riqueza en especies y subespecies, un total de 208, seguido del Vasco con 163 taxones, el Pirenaico con 153 y el Bético con 142. Algo menos diversos son los distritos Levantino (124 taxones) y Catalán (104 taxones), seguidos de lejos por el Lusitánico con 46 taxones, el Balear con 41 y el Central con tan sólo 19. Entre los estigobios 156 especies y subespecies pueblan las aguas subterráneas de las regiones delimitadas por las cuecas lusitánicas. Le siguen en diversidad las cuencas pirenaicas con 154 taxones estigobios, las béticas con 114 y por último las aguas del subsuelo de las cuencas baleáricas con 47 taxones estigobios, algunos de los cuales son talaso-estigobios, propios de las aguas marinas costeras

Microscopic description of dielectric thermal transport with memory and nonlocal effects

Aquesta tesi proporciona un nou formalisme per resoldre l'equació de transport de Boltzmann per fonons per a nombres de Knudsen finits que proporciona una equació hidrodinàmica de transport de calor, l'equació de Guyer i Krumhansl, similar a l'equació de Navier-Stokes, per a semiconductors generals. Aquesta generalització de la llei de Fourier s'obté en casos generals, des de sistemes dominats per col·lisions normals que conserven el moment, com és ben sabut, fins a materials cinètics dominats per col·lisions resistives, on captura efectes no locals. La característica clau del nostre marc és assumir que la funció de distribució de fonons fora de l'equilibri es descriu en termes del flux de calor i les seves derivades primeres. Obtenim expressions explícites per a la distribució de fonons fora de l'equilibri i per als paràmetres macroscòpics, independents de la geometria, en funció de les propietats dels fonons que es poden calcular a partir de primers principis. Aquest formalisme es valida des de dues perspectives diferents: la teòrica i l'experimental. Des de la perspectiva teòrica, recuperem dos resultats coneguts en el transport tèrmic. Primer, obtenim la llei de Fourier amb un operador de col·lisions general. En segon lloc, recuperem exactament els resultats originals de l'equació de Guyer i Krumhansl, on s'utilitza que dominen les col·lisions normals. Des d'un punt de vista experimental, es troba que les prediccions del model ab initio coincideixen amb una àmplia gamma d'experiments en silici i germani, considerant diferents geometries, temperatures, mides o situacions dependents i independents del temps. A més, a diferència dels enfocaments basats directament en l'equació de transport de Boltzmann, l'equació hidrodinàmica es pot resoldre en geometries arbitràries, proporcionant així una potent eina per a la modelització de calor a la nanoescala a un baix cost computacional. Finalment, aquest formalisme obre la porta a millorar la seva aplicabilitat a nombres de Knudsen més grans mitjançant la inclusió de derivades d'ordre superior o l'ús de paràmetres efectius a la descripció.Esta tesis proporciona un nuevo formalismo para resolver la ecuación de transporte de Boltzmann de fonones para números de Knudsen finitos que proporciona una ecuación hidrodinámica de transporte de calor, la ecuación de Guyer y Krumhansl, similar a la ecuación de Navier-Stokes para semiconductores generales. Esta generalización de la ley de Fourier se obtiene en casos generales, desde sistemas dominados por colisiones normales que conservan el momento, como es bien sabido, hasta materiales cinéticos dominados por colisiones resistivas, donde captura efectos no locales. La característica clave de nuestro marco es assumir que la función de distribución de fonones fuera del equilibrio se describe en términos del flujo de calor y sus primeras derivadas. Obtenemos expresiones explícitas para la distribución de fonones fuera del equilibrio y para los parámetros macroscópicos, independientes de la geometría, en función de las propiedades de los fonones que se pueden calcular a partir de primeros principios. Este formalismo se valida desde dos perspectivas diferentes: la teórica y la experimental. Desde la perspectiva teórica, recuperamos dos resultados bien conocidos en el transporte térmico. Primero, obtenemos la ley de Fourier con un operador general de colisiones. En segundo lugar, recuperamos exactamente los resultados originales de la ecuación de Guyer y Krumhansl, donde se utiliza que dominan las colisiones normales. Desde un punto de vista experimental, se encuentra que las predicciones ab initio del modelo concuerdan con una amplia gama de experimentos en silicio y germanio, considerando diferentes geometrías, temperaturas, tamaños o situaciones dependientes e independientes del tiempo. Además, a diferencia de los enfoques basados directamente en la ecuación de transporte de Boltzmann, la ecuación hidrodinámica se puede resolver en geometrías arbitrarias, lo que proporciona una poderosa herramienta para el modelado de calor a la nanoescala a un bajo costo computacional. Finalmente, este formalismo abre la puerta a mejorar su aplicabilidad a números de Knudsen más grandes mediante la inclusión de derivadas de orden superior o el uso de parámetros efectivos en la descripción.This thesis provides a new formalism to solve the phonon Boltzmann transport equation for finite Knudsen numbers that supplies a hydrodynamic heat transport equation, the Guyer-Krumhansl equation, similar to the Navier-Stokes equation for general semiconductors. This generalization of Fourier's law is obtained in general cases, from systems dominated by momentum-preserving normal collisions, as is well known, to kinetic materials dominated by resistive collisions, where it captures nonlocal effects. The key feature of our framework is to assume that the nonequilibrium phonon distribution function is described in terms of the heat flux and its first derivatives. We obtain explicit expressions for the nonequilibrium phonon distribution and for the geometry-independent macroscopic parameters as a function of phonon properties that can be calculated from first principles. This formalism is validated from two different perspectives: theoretical and experimental. From the theoretical perspective, we recover two well-known results in thermal transport. First, we obtain Fourier's law with a general collisions operator. Second, we exactly recover the original results for the Guyer and Krumhansl equation, where it is used that normal collisions dominate. From an experimental point of view, the ab initio model predictions agree with a wide range of experiments in silicon and germanium, considering different geometries, temperatures, sizes, or time-dependent and independent situations. Furthermore, in contrast to approaches directly based on the Boltzmann transport equation, the hydrodynamic equation can be solved in arbitrary geometries, thus providing a powerful tool for nanoscale heat modeling at a low computational cost. Finally, this formalism opens the door to improving its applicability to larger Knudsen numbers by including higher-order derivatives or using effective parameters in the description

Optical coherence tomography with a nonlinear interferometer

The project aims at studying the functioning of an optical coherence scheme that make use of a nonlinear interferometer. We will consider the best configuration, the sensitivity that can be achieved and the maximum power that can be generated.We derive what is the signal and the sensitivity of a nonlinear interferometer (Mach-Zehnder or Michelson), that is a novel approach to perform Optical Coherence Tomography (OCT). The physical idea behind this goes back to seminal work done by L. Mandel?s group in 1991 [1]. We demonstrate that the use of input coherent light improve the strength of the detected signal in terms of intensity, noise and sensitivity. Finally, we present the counterintuitive differences between considering a single frequency beam or a beam with a certain bandwidth

Microscopic description of dielectric thermal transport with memory and nonlocal effects

Aquesta tesi proporciona un nou formalisme per resoldre l’equació de transport de Boltzmann per fonons per a nombres de Knudsen finits que proporciona una equació hidrodinàmica de transport de calor, l’equació de Guyer i Krumhansl, similar a l’equació de Navier-Stokes, per a semiconductors generals. Aquesta generalització de la llei de Fourier s’obté en casos generals, des de sistemes dominats per col·lisions normals que conserven el moment, com és ben sabut, fins a materials cinètics dominats per col·lisions resistives, on captura efectes no locals. La característica clau del nostre marc és assumir que la funció de distribució de fonons fora de l’equilibri es descriu en termes del flux de calor i les seves derivades primeres. Obtenim expressions explícites per a la distribució de fonons fora de l’equilibri i per als paràmetres macroscòpics, independents de la geometria, en funció de les propietats dels fonons que es poden calcular a partir de primers principis. Aquest formalisme es valida des de dues perspectives diferents: la teòrica i l’experimental. Des de la perspectiva teòrica, recuperem dos resultats coneguts en el transport tèrmic. Primer, obtenim la llei de Fourier amb un operador de col·lisions general. En segon lloc, recuperem exactament els resultats originals de l’equació de Guyer i Krumhansl, on s’utilitza que dominen les col·lisions normals. Des d’un punt de vista experimental, es troba que les prediccions del model ab initio coincideixen amb una àmplia gamma d’experiments en silici i germani, considerant diferents geometries, temperatures, mides o situacions dependents i independents del temps. A més, a diferència dels enfocaments basats directament en l’equació de transport de Boltzmann, l’equació hidrodinàmica es pot resoldre en geometries arbitràries, proporcionant així una potent eina per a la modelització de calor a la nanoescala a un baix cost computacional. Finalment, aquest formalisme obre la porta a millorar la seva aplicabilitat a nombres de Knudsen més grans mitjançant la inclusió de derivades d’ordre superior o l’ús de paràmetres efectius a la descripció.Esta tesis proporciona un nuevo formalismo para resolver la ecuación de transporte de Boltzmann de fonones para números de Knudsen finitos que proporciona una ecuación hidrodinámica de transporte de calor, la ecuación de Guyer y Krumhansl, similar a la ecuación de Navier-Stokes para semiconductores generales. Esta generalización de la ley de Fourier se obtiene en casos generales, desde sistemas dominados por colisiones normales que conservan el momento, como es bien sabido, hasta materiales cinéticos dominados por colisiones resistivas, donde captura efectos no locales. La característica clave de nuestro marco es assumir que la función de distribución de fonones fuera del equilibrio se describe en términos del flujo de calor y sus primeras derivadas. Obtenemos expresiones explícitas para la distribución de fonones fuera del equilibrio y para los parámetros macroscópicos, independientes de la geometría, en función de las propiedades de los fonones que se pueden calcular a partir de primeros principios. Este formalismo se valida desde dos perspectivas diferentes: la teórica y la experimental. Desde la perspectiva teórica, recuperamos dos resultados bien conocidos en el transporte térmico. Primero, obtenemos la ley de Fourier con un operador general de colisiones. En segundo lugar, recuperamos exactamente los resultados originales de la ecuación de Guyer y Krumhansl, donde se utiliza que dominan las colisiones normales. Desde un punto de vista experimental, se encuentra que las predicciones ab initio del modelo concuerdan con una amplia gama de experimentos en silicio y germanio, considerando diferentes geometrías, temperaturas, tamaños o situaciones dependientes e independientes del tiempo. Además, a diferencia de los enfoques basados directamente en la ecuación de transporte de Boltzmann, la ecuación hidrodinámica se puede resolver en geometrías arbitrarias, lo que proporciona una poderosa herramienta para el modelado de calor a la nanoescala a un bajo costo computacional. Finalmente, este formalismo abre la puerta a mejorar su aplicabilidad a números de Knudsen más grandes mediante la inclusión de derivadas de orden superior o el uso de parámetros efectivos en la descripción.This thesis provides a new formalism to solve the phonon Boltzmann transport equation for finite Knudsen numbers that supplies a hydrodynamic heat transport equation, the Guyer-Krumhansl equation, similar to the Navier-Stokes equation for general semiconductors. This generalization of Fourier’s law is obtained in general cases, from systems dominated by momentum-preserving normal collisions, as is well known, to kinetic materials dominated by resistive collisions, where it captures nonlocal effects. The key feature of our framework is to assume that the nonequilibrium phonon distribution function is described in terms of the heat flux and its first derivatives. We obtain explicit expressions for the nonequilibrium phonon distribution and for the geometry-independent macroscopic parameters as a function of phonon properties that can be calculated from first principles. This formalism is validated from two different perspectives: theoretical and experimental. From the theoretical perspective, we recover two well-known results in thermal transport. First, we obtain Fourier’s law with a general collisions operator. Second, we exactly recover the original results for the Guyer and Krumhansl equation, where it is used that normal collisions dominate. From an experimental point of view, the ab initio model predictions agree with a wide range of experiments in silicon and germanium, considering different geometries, temperatures, sizes, or time-dependent and independent situations. Furthermore, in contrast to approaches directly based on the Boltzmann transport equation, the hydrodynamic equation can be solved in arbitrary geometries, thus providing a powerful tool for nanoscale heat modeling at a low computational cost. Finally, this formalism opens the door to improving its applicability to larger Knudsen numbers by including higher-order derivatives or using effective parameters in the description.Universitat Autònoma de Barcelona. Programa de Doctorat en Físic