Purcell Effect in the Stimulated and Spontaneous Emission Rates of Nanoscale Semiconductor Lasers

Nanoscale semiconductor lasers have been developed recently using either metal, metallo-dielectric or photonic crystal nanocavities. While the technology of nanolasers is steadily being deployed, their expected performance for on-chip optical interconnects is still largely unknown due to a limited understanding of some of their key features. Specifically, as the cavity size is reduced with respect to the emission wavelength, the stimulated and the spontaneous emission rates are modified, which is known as the Purcell effect in the context of cavity quantum electrodynamics. This effect is expected to have a major impact in the 'threshold-less' behavior of nanolasers and in their modulation speed, but its role is poorly understood in practical laser structures, characterized by significant homogeneous and inhomogeneous broadening and by a complex spatial distribution of the active material and cavity field. In this work, we investigate the role of Purcell effect in the stimulated and spontaneous emission rates of semiconductor lasers taking into account the carriers' spatial distribution in the volume of the active region over a wide range of cavity dimensions and emitter/cavity linewidths, enabling the detailed modeling of the static and dynamic characteristics of either micro- or nano-scale lasers using single-mode rate-equations analysis. The ultimate limits of scaling down these nanoscale light sources in terms of Purcell enhancement and modulation speed are also discussed showing that the ultrafast modulation properties predicted in nanolasers are a direct consequence of the enhancement of the stimulated emission rate via reduction of the mode volume.Comment: 12 pages, 5 figure

Whole-genome analysis of DNA methylation across cancer types reveals specific patterns in early stages

Dynamic variations in DNA methylation are known to play an important role in cancer development through modulation of gene expression. Here, were developed a mathematical structured model to identify patterns of differentially methylated genes (cDMGs), across different cancers types that can act as epigenetic diagnostic biomarkers. A Working Pipeline (WP), designed in R language, was applied to 8 cancer cohorts from The Cancer Genome Atlas (TCGA) aiming to analyze DNA methylation and gene expression alterations occurring during normal to stage I carcinogenic transition. WP has a principal component which was divided in four steps: 0. Clinical characterization of patients; 1. Identification of cDMGs; 2. Identification of genetic/epigenetic patterns across different cancer type; and 3. Identification of diagnostic predictors. Additionally, the WP had a second component containing two more complementary steps: 4. Identification of CpG probes that better predict gene expression and 5. HJ-Biplot approach to visualize genes or CpG probes and its association with sample distribution. Appling the principal component of the WP to TCGA cohorts, we identified 117 cDMGs in breast cancer, 307 in colorectal cancer, 99 in head and neck cancer, 156 in kidney clear cell cancer, 106 in kidney papillary cancer, 349 in liver cancer, 180 in lung cancer and 25 in thyroid cancer. Analysis of patterns across these cancers revealed that the majority of cDMGs are cancer-specific. Moreover, we found cDMGs to be good predictors of diagnosis. When considering specific biomarkers for each cancer, only 19, 153, 27, 93, 53, 72, 38 and 14 genes were found to be good diagnostic biomarkers in breast, colorectal, head and neck, kidneyR, kidneyP, liver, lung and thyroid cancers, respectively. Therefore, we developed a novel working pipeline that allowed data sets analyses available worldwide. Validation of this mathematical model evidences that normal-tumor transition is not a conserved process event across different cancers type, but specific to the cell of origin.O cancro é descrito como um grupo de doenças altamente complexas caracterizadas pelo crescimento anormal e descontrolado de células com a capacidade de invadir outros tecidos. A vasta maioria das células presentes no organismo adulto apresentam o genoma completo, altamente regulado, de forma, a manter os padrões de atividade específica para cada tecido. Assim, os mecanismos que regulam esta atividade são importantes objetos de estudo no desenvolvimento de cancro, nomeadamente, a metilação do DNA. A metilação do DNA é um dos mecanismos epigenéticos mais estudados que ocorre pela adição de um grupo metil à sequência de DNA, modificando a função dos genes e influenciando a expressão genética. O cancro é maior causa de morbilidade e mortalidade no mundo, contando com 18.1 milhões de novos casos e 9.6 milhões de mortes. Salienta-se, que os cancros do pulmão, mama e colorretal apresentam a maior taxa de incidência. A presente dissertação teve como principais objetivos 1) criar um procedimento de trabalho, 2) identificar genes diferencialmente metilados associados a cancro (cDMGs), 3) identificar padrões de expressão/metilação entre diferentes tipos cancros e 4) identificar preditores de diagnóstico. Metodologicamente, foi criado um procedimento de trabalho que teve aplicação na análise do genoma completo das coortes do The Cancer Genome Atlas (TCGA). A análise enunciada utilizou dados de expressão genética (Illumina Hiseq) e metilação de DNA (Illumina HumanMethylation 450K array) para 8 coortes dos seguintes tipos de cancro: cancro da mama, cancro colorretal, cancro da cabeça e pescoço, cancro das células renais (cancro do rimR), cancro papilar do rim (cancro do rimP), cancro do fígado, cancro do pulmão e cancro da tiroide. Neste projeto, foram comparados dois grupos, tecido sólido adjacente e tumor primário em estadio I com 84 e 126 em cancro da mama, 21 e 54 em cancro colorretal, 20 e 27 em cancro da cabeça e pescoço, 24 e 155 em cancro do rimR, 23 e 167 em cancro do rimP, 41 e 171 em cancro do fígado, 21 e 245 em cancro do pulmão e 50 e 284 em cancro da tiroide, respetivamente. Os dados mencionados foram analisados através de linguagem de programação em R. Considerando os objetivos propostos, verificou-se que o primeiro objetivo é a chave para os restantes. O procedimento de trabalho foi estruturado com base em duas componentes distintas. A componente principal apresentou 4 fases: Fase 0 – Caracterização dos cohorts; Fase 1 – Identificar genes diferencialmente metilados associados a cancro; Fase 2 – Identificar padrões genéticos/epigenéticos entre diferentes tipos de cancro e Fase 3 – Identificar preditores de diagnóstico. Entretanto, a componente complementar apresentou 2 fases: Fase 4 – Identificar sítios de metilação com maior impacto na expressão e Fase 5 – Representação multivariada utilizando HJ-Biplot para visualizar genes ou sítios de metilação e a sua associação com a distribuição das amostras. Dentro da componente principal, a Fase 0 foi considerada opcional e teve como intuito caracterizar os pacientes da coorte utilizando as variáveis clínicas disponíveis para tal. As fases seguintes estiveram dependentes da existência de dados de expressão genética (Illumina HiSeq) e metilação de DNA (Illumina HumanMethylation 450K array), assim como, pacientes que apresentem ambas as amostras. Deste modo, ambas as bases de dados foram importadas no início da Fase 1, os genes e sítios de metilação foram sujeitos a um pré-processamento, seguido de um processo de testes inferenciais distribuídos por níveis. Após seleção de genes com diferenças significativas de expressão e sítios de metilação com diferenças significativas de metilação estabeleceu-se os pontos de corte (valor absoluto log2(Foldchange)>1.5 e valor absoluto Δβ>0.2). Assim, foram selecionados apenas genes e CpG com diferenças muito significativas com interesse de estudo. Posteriormente, o teste de correlação de Pearson avaliou a relação entre ambos e identificou os genes diferencialmente metilados associados a cancro. A Fase 2 procurou identificar padrões através da interseção das várias coortes. Por fim, a Fase 3 identificou os bons preditores de diagnóstico. De forma a complementar a análise, a Fase 4 utilizou os modelos lineares de regressão múltipla para identificar a metilação de sítios de metilação com maior impacto na expressão de gene. Entretanto, a Fase 5 procurou de forma multivariada identificar comportamentos de gene ou sítios de metilação com maior influência na distinção entre grupos e na distribuição das amostras. Através do procedimento de trabalho estabelecido, foram identificados nas coortes mama, colorretal, cabeça e pescoço, rimR, rimP, fígado, pulmão e tiroide, diferenças na expressão de 117, 307, 99, 156, 106, 349, 180 e 25 genes (valor absoluto de log2(Foldchange) > 1,5 e p-value ajustado (FDR)0,2 e p-value ajustado (FDR)<0.05), respetivamente, designados de cDMGs. Seguidamente, foi realizada uma análise de processo biológico que revelou a existência de enriquecimento de funções ligadas ao desenvolvimento e sistema nervoso. Entretanto, foi realizada uma análise anotação com objetivo de verificar quais dos cDMGs nunca foram reportados em cancro. Esta análise sugere que nas coortes acima mencionadas 18, 36, 13, 18, 15, 48, 20 e 3 genes, respetivamente, nunca foram mencionados com cancro. Por outro lado, 62, 150, 28, 27, 20, 94, 100 e 6 genes, respetivamente, já foram mencionados no cancro específico. Entretanto, os restantes já foram mencionados em cancro, mas não no cancro específico. De seguida, a intersecção dos genes ou sítios de metilação entre coortes mostrou que a maioria eram específicos para o tipo tumoral e apenas uma pequena quantidade deles tinham presença em mais de uma coorte. Assim, para as coortes da mama, colorretal, cabeça e pescoço, rimR, rimP, fígado, pulmão e tiroide, são específicos para a coorte 55, 202, 49, 100, 70, 240, 97 e 18 genes, respetivamente, e 261, 782, 223, 244, 189, 1339, 449 e 35 sítios de metilação, respetivamente. Seguidamente, foi realizada uma análise de vias de sinalização utilizando a base de dados Reactome que mostrou a cascata RAF/MAP quinase (p-value=8.01e-05) está muito presente em cancro colorretal, assim como, as interações L1CAM (p-value=0.004208). Adicionalmente, a ativação do recetor GABA A (p-value=0.026896) está enriquecido em cancro da cabeça e pescoço, os recetores péptido-ligando (p-value=0.006942) e a metilação de DNA (p-value=0.024459) em cancro do pulmão. Finalmente, os nossos resultados sugerem que o desenvolvimento de cancro em estadios precoces apresenta características intrínsecas ao tecido de origem. Por último, a análise de bons preditores de diagnóstico teve como objetivo identificar biomarcadores com capacidade de discriminar tecido normal e tumoral em estadios precoces. Os nossos resultados mostraram que nas coortes previamente mencionados existiram 45, 238, 57, 142, 88, 126, 88 e 18 genes, respetivamente, juntamente com 340, 835, 286, 299, 200, 1129, 595 e 38 sítios de metilação, respetivamente. Destes, 44, 153, 68, 173, 111, 261, 128 e 24, respetivamente pertenceram aos padrões específicos encontrados. Concluindo, nós criamos um procedimento de trabalho capaz de analisar bases de dados de todo o mundo. Como vimos, este estudo mostrou que o procedimento permitiu identificar diferenças de metilação significativas em estadios precoces. Estas alterações na sua grande maioria são específicas da transição normal-tumoral evidenciando que este evento não é conservado entre tipos de cancro, sugerindo que cada tecido apresenta características únicas do tipo de célula de origem

Applicability of an e-Kanban system according to the Industry 4.0 paradigm: an applied practical study

Industry 4.0 is a reality, and organisations must assess the viability of their current Information Systems (IS) to integrate this paradigm change. In this work, a study within a Portuguese manufacturer is presented. Here, to overcome a set of problems and to understand the company’s Industry 4.0 maturity, the implementation of a Kanban system, supported in the company’s current IS was proposed. However, due its limitations, a physical Kanban had to be implemented instead, to convince top managers to invest in the development of a flexible e-Kanban system, which will fulfil the company’s objectives, interconnect all factory areas and bring the company closer to Industry 4.0. The results in the pilot line showed that Kanban can effectively reduce stock and improve production processes. Moreover, they show the incompatibility of the current IS, for Industry 4.0 requirements, and the limitations of the physical Kanban system when compared to e-Kanban system

Utilização de fitoterapia no tratamento e/ou prevenção da Doença de Parkinson

Dissertação de mestrado, Ciências Farmacêuticas, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade do Algarve, 2014A doença de Parkinson é uma doença neuro-degenerativa, crónica e progressiva associada a um défice da função motora. Esta doença caracteriza-se por rigidez muscular, tremor em repouso, bradicinésia, instabilidade postural e, nalguns casos, perturbações psiquiátricas e cognitivas (Verbaan et al., 2007). Em termos patológicos, na doença de Parkinson há uma perda profunda e seletiva de neurónios dopaminérgicos localizados numa zona do cérebro denominada por substantia nigra pars compacta e a presença dos corpos de Lewy que são agregados proteicos compostos principalmente pelas -sinucleína, ubiquitina e sinfilina-1, entre outras (Abou-Sleiman et al., 2006). A maioria dos casos de doença de Parkinson não tem causa definida (doença de Parkinson idiopática). Estudos mais recentes têm demonstrado, no entanto, que numa mesma família a probabilidade de surgir a doença de Parkinson duplica ou triplica de uma geração para a seguinte ou que esta pode ocorrer através da predisposição genética de alguns indivíduos ao serem expostos a determinados agentes (neurotoxinas, fármacos, vírus) e ainda por acidente vascular cerebral (Werneck, 2010; Davie, 2008; Dale et al., 2007). Dado que a doença de Parkinson atualmente não tem cura, os objetivos do tratamento passam por controlar os sintomas da patologia. No que diz respeito ao tratamento farmacológico este passa sobretudo pelo recurso a fármacos classificados como agonistas da dopamina, inibidores da MAO B, agentes anticolinérgicos, inibidores da COMT, amantadina e, por último, a levodopa, sendo esta a terapêutica farmacológica de destaque nesta patologia (Tarsy, 2014). No que diz respeito ao tratamento e/ou prevenção desta patologia com recurso à fitoterapia (produtos naturais à base de plantas, extratos) há autores que têm descrito a utilidade de recorrer a esta alternativa com o fim de complementar com a terapêutica farmacológica geralmente utilizada nesta patologia. No trabalho proposto irá ser feita uma revisão sobre a terapêutica natural usada na doença de Parkinson, bem como o papel do farmacêutico na doença e na terapêutica

Excitability and optical pulse generation in semiconductor lasers driven by resonant tunneling diode photo-detectors

We demonstrate, experimentally and theoretically, excitable nanosecond optical pulses in optoelectronic integrated circuits operating at telecommunication wavelengths (1550 nm) comprising a nanoscale double barrier quantum well resonant tunneling diode (RTD) photo-detector driving a laser diode (LD). When perturbed either electrically or optically by an input signal above a certain threshold, the optoelectronic circuit generates short electrical and optical excitable pulses mimicking the spiking behavior of biological neurons. Interestingly, the asymmetric nonlinear characteristic of the RTD-LD allows for two different regimes where one obtain either single pulses or a burst of multiple pulses. The high-speed excitable response capabilities are promising for neurally inspired information applications in photonics. (C) 2013 Optical Society of AmericaFCT [PTDC/EEA-TEL/100755/2008]; FCT Portugal [SFRH/BPD/84466/2012]; Ramon y Cajal fellowship; project RANGER [TEC2012-38864-C03-01]; Direcci General de Recerca del Govern de les Illes Balears; EU FEDER funds; Ministry of Economics and Competitivity of Spain [FIS2010-22322-C02-01

Photo-detectors integrated with resonant tunneling diodes

We report on photo-detectors consisting of an optical waveguide that incorporates a resonant tunneling diode (RTD). Operating at wavelengths around 1.55 m in the optical communications C band we achieve maximum sensitivities of around 0.29 A/W which is dependent on the bias voltage. This is due to the nature of RTD nonlinear current-voltage characteristic that has a negative differential resistance (NDR) region. The resonant tunneling diode photo-detector (RTD-PD) can be operated in either non-oscillating or oscillating regimes depending on the bias voltage quiescent point. The oscillating regime is apparent when the RTD-PD is biased in the NDR region giving rise to electrical gain and microwave self-sustained oscillations Taking advantage of the RTD's NDR distinctive characteristics, we demonstrate efficient detection of gigahertz (GHz) modulated optical carriers and optical control of a RTD GHz oscillator. RTD-PD based devices can have applications in generation and optical control of GHz low-phase noise oscillators, clock recovery systems, and fiber optic enabled radio frequency communication systems.FCT under the project WOWi [PTDC/EEA-TEL/100755/2008]; programme POCTI/FEDER [REEQ/1272/EEI/2005]; FCT Portugal [SFRH/BPD/84466/2012]info:eu-repo/semantics/publishedVersio

Avaliação do Risco Estrutural na Maternidade

Avaliação do Risco Estrutural na Maternidade; Em 2019, a pedido da Direcção Clínica, foi feita uma avaliação de risco às instalações da maternidade do Hospital Dr. Nélio Mendonça (HNM). Esta avaliação contou com a colaboração do serviço de Ginecologia/ Obstetrícia e do serviço de Segurança Privada e Portarias, de forma a identificar de forma abrangente os diversos tipos de risco não clínico.Os principais riscos identificados nas instalações da maternidade, de uma forma geral, estão relacionados com a idade do edifício (1973), que não tem capacidade de responder às necessidades de evolução dos meios de segurança e ao aumento da procura dos serviços, havendo uma maior afluência da população ao hospital, relacionada com a melhoria das condições económicas da população, melhoria das vias de comunicação e da rede de transportes.N/

A liénard oscillator resonant tunnelling diode-laser diode hybrid integrated circuit: model and experiment

We report on a hybrid optoelectronic integrated circuit based on a resonant tunnelling diode driving an optical communications laser diode. This circuit can act as a voltage controlled oscillator with optical and electrical outputs. We show that the oscillator operation can be described by Liénard's equation, a second order nonlinear differential equation, which is a generalization of the Van der Pol equation. This treatment gives considerable insight into the potential of a monolithic version of the circuit for optical communication functions including clock recovery and chaotic source applications

Wireless interrogation of an optically modulated resonant tunnelling diode oscillator

n this work, a resonant tunnelling diode-photo-detector based microwave oscillator is amplitude modulated using an optical signal. The modulated free running oscillator is coupled to an antenna and phase locked by a wireless carrier that allows remote extraction of the information contained in the modulation. An off-the-shelf demodulator has been used to recover the envelope of the baseband data originally contained in the optical signal. Data were successfully transmitted at a rate of 1 MSym/s with a bit error rate below 10−6