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Tesis > TEMA

Física [ 418 tesis ]

Óptica Cuántica [ 14 tesis ]

Hnilo, Alejandro Andrés. "Comportamiento dinámico y problema del diseño de etapas amplificadoras de láseres de colorantes orgánicos" (1985) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Gruver, José Luis. "Dinámica y termodinámica de sistemas Hamiltonianos en Optica Cuántica" (1996) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
En esta Tesis Doctoral se investiga, para acoplamientos dependientes del tiempo, la dinámica y termodinámica de la interacción entre la materia y la radiación electromagnética, utilizando el formalismo de Máxima Entropía. Para un Sistema de dos Modos, acoplados a través de una interacción dependiente del tiempo, se demuestra la existencia de estados compactados a temperatura distinta de cero. Para el Hamiltoniano de Jaynes-Cummings dependiente del tiempo se presentan varios conjuntos infinitos de Operadores Relevantes que describen la física del modelo. Además se demuestra que la dinámica está restringida por la existencia de varios conjuntos infinitos de Invariantes del Movimiento. Para el Hamiltoniano de Jaynes-Cummings, con el agregado de un medio no-lineal del tipo Kerr, se encuentra que la no-linealidad induce una $n$ de un Operador Relevante está dada por la Serie de Fibonacci. En ambos dinámica no-trivial pues la cantidad de caminos que conectan el orden cero y Hamiltonianos se desarrolla, en el Espacio Dual de Lagrange, el problema de las condiciones iniciales y se reobtienen los resultados ya conocidos. Se investigan, numéricamente, distintas dependencias temporales para varias condiciones iniciales en los dos modelos. El problema de la disipación cuántica se estudia exactamente para el caso de un solo oscilador y para el de dos niveles interactuantes, donde ambos sistemas se encuentran acoplados a un reservorio de tamaño finito y espectro discreto. Se muestra como la disipación es una consecuencia de la dinámica colectiva de los sistemas; se comprueba la existencia de ciclos de recurrencia de Poincare; se discuten las consecuencias de las soluciones obtenidas. Finalmente, se concluye que los resultados e ideas presentadas pueden ser usados como una herramienta en la resolución de otros problemas en Óptica Cuántica.

Abstract:
The dynamics and thermodynamics of the time-dependent matter-radiation interaction is investigated using the Maximum Entropy Principle formalism.The appearance of nonzero temperature two-mode squeezing for time-dependent two-level systems is demonstrated. For a generalized time-dependent Jaynes-Cummings Hamiltonian several infinite sets of relevant operators, that describes the physics of the system, are given. Besides, it is shown that the dynamics is restricted by the existence of several infinite sets of invariants of the motion. For the Jaynes-Cummings Hamiltonian with an additional nonlinear Kerr-like medium it is found that the nonlinearity induces a nontrivial dynamics because of the number of paths or links that connect the order zero and $n$ of a relevant operator is given by the Fibonacci Series. For both models, a full description in the Lagrange Dual Space of the initial conditions is done and the usual results are recovered. Numerical simulation for different time-dependencies and initial conditions for the Jaynes-Cummings Hamiltonian and its nonlinear extension are performed. The exact dissipative dynamics of a single quantum harmonic oscillator and a two-level system, both coupled to a finite-discrete thermal bath are investigated. It is shown that the dissipative evolution is a consequence of the collective dynamics of the systems. Poincar'e recurrences are shown and theconsequences of the results are discussed. Finally, it is concluded that the results and ideas developed in the present work can be used as a tool to solve other problems in Quantum Optics.

González Inchauspe, C.M.. "Nuevos esquemas de conformación de pulsos láser ultracortos" (1997) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
Se presentan en este trabajo nuevos sistemas para la expansión y recompresión temporal de pulsos ultracortos y la modulación de la fase espectral de los mismos. De las distintas posibilidades que estos ofrecen, nos hemos abocado particularmente a sus aplicaciones en la técnica de amplificación de pulsos con barrido en frecuencia (CPA). Se proponen sistemas para cada una de las etapas de la técnica de CPA: expansión, amplificación y recompresión de pulsos laser ultracortos.Con estos sistemas se han logrado resolver algunos de los problemas más críticos que aparecen en el proceso de amplificación de pulsos y que se traduce en pulsos mal conformados, ensanchados temporalmente y con colas que impiden su aplicación en ciertos experimentos. Se ha hecho un análisis completo de los sistemas, estudiando sus efectos sobre el pulso. Estos efectos incluyen tanto la parte temporal y espectral como la espacial. Se estudian las posibles aberraciones que estos sistemas puedan introducir y se determinan los parámetros y condiciones de funcionamiento.

Abstract:
We propose novel systems for the temporal stretching, compression and spectral phase modulation of ultrashort pulses. Among the differents posibilities that these systems offer, we have aimed our work to its' apllicattions in the technique of chirped pulse amplification (CPA). We have designed systems for each step in the CPA technique: stretching, amplification and recompression of femtosecond laser pulses. With these systems we have solved some of the most important problems that appear in the amplification of ultrashort pulses that give rise to the appearance of large temporal wings and an increased pulse duration. We have made an exhausted and complete analisys of the systems, studing their effects on the pulse. These include the temporal and spectral effects as well as the spatial ones. The aberrations introduced by these systems have also been studied, determining the parameters and working conditions.

Landi, Sandra Marcela. "Efectos térmicos en microscopía túnel asistida por láser" (1999) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
En la mayoria de los experimentos de microscopía túnel asistida por láser, se modula la intensidad de la luz incidente, a fin de discriminar la señal fotoinducida de la corriente túnel normal, y obtener la información adicional producida por la radiación. Al iluminar la muestra con un haz modulado en intensidad, la absorción no resonante de la luz produce la dilatación térmica de la punta y de la muestra a la frecuencia de modulación, oscureciendo otros posibles efectos inducidos por la radiación. Este ruido térmico limita el empleo de luz modulada, en los experimentos de fluorescencia u óptica no lineal de campo cercano, en los que se desea una alta resolución espacial. En esta tesis se propone un método en el cual la expansión térmica a la frecuencia de modulación puede ser reducida varios órdenes de magnitud. El método se basa en la iluminación de la muestra con la interferencia producida por dos haces con diferentes direcciones de propagación y frecuencias de modulación. El patrón de interferencia así formado da lugar a variaciones espacialmente periódicas de temperatura en la superficie de la muestra. Al variar la frecuencia de modulación de uno de los haces respecto al otro, la fase del patrón de interferencia se mueve dando lugar a ondas viajeras dentro de la zona iluminada. Se midió la reducción en la señal inducida con este esquema de ondas viajeras, obteniendo una reducción de más de tres órdenes de magnitud en la componente térmica de la señal.

Abstract:
Modulating the light intensity is a common technique for extracting the light induced information from background signal and noise in laser assisted scanning tunneling microscopy. When irradiating the sample with a modulated light intensity. nonresonant light absorption results in tip and sample heating and expansion at the modulation frequency, obscuring other possible laser induced mechanisms. This thermal noise limits the use of light modulation when very high spatial resolution is desired in fluorescence or nonlinear optics near field experiments. In this thesis we describe a method in which the thermal expansion at the modulation frequency can be reduced by orders of magnitude. The method is based on the irradiation of the sample with two interfering laser beams at different frequencies and incidence direction. When two light waves with different directions are superimposed, the interference pattern gives rise to spatially periodic temperature variations (thermal gratings). If the frequency of one of the beams is slightly shifted from that of the other beam, the phase of the interference pattem will move, giving light fringes travelling in the illuminated zone. In order to measure the quenching of the thermal expansion with this travelling fringe scheme, the reduction of the signal induced in a scanning tunneling microscope at the modulation frequency due to the optical heating was measured. With this setup, the thermally induced current was reduced more than three orders of magnitude.

Bragas, Andrea Verónica. "Interacciones de la luz con una unión túnel (en un Microscopio de Efecto Túnel)" (1999) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Berlín, Guido. "Efectos cuánticos en la interacción entre átomos con radiación en cavidades" (2003) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
La idea central de la presente tesis es poner de manifesto efectos cuánticos que aparecen en la interacción entre átomos de pocos niveles con radiación electromagnética y entre modos de radiación entre sí considerando la radiación cuantificada. Se trataron diferentes sistemas de interés en el ámbito de la elcctrodinámica cuántica de cavidades, utilizando técnicas como la de hallar los operadores relevantes en el marco de la teoría de álgebras dinámicas y también utilizando ecuación maestra para la evolución del operador densidad. Se estudió el problema de un átomo de dos niveles interactuando con dos modos de radiación en presencia de un medio no lineal. Para este sistema se encontró que la presencia del medio no lineal inhibe los efectos típicos de estos sistemas como ser los colapsos y resurrecciones de la inversión de población, y también el antiagrupamiento. También se estudió un hamiltoniano de Jaynes-Cummings generalizado que no toma en cuenta la aproximación de onda rotante y además en presencia de un campo externo. Se pudo encontrar un conjunto de operadores adecuado para estudiar este sistema que permite evaluar la evolución temporal del valor medio de cualquier cantidad de relevancia. En la presente tesis se hace una propuesta para poder utilizar un divisor dc haz como discriminador de entrelazamiento entre dos modos del campo electromagnético; además en algunos casos podemos identificar diferentes elementos de la base de Bell. También en este trabajo se hace un estudio de factibilidad de una propuesta para generar en forma condicional estados de Fock en una cavidad. Para ello se relajan aproximaciones y se tienen en cuenta las pérdidas dentro de la cavidad, encontrándose que el esquema es robusto antes condiciones reales, siendo entonces promisoria su realización experimental.

Abstract:
The main idea of this thesis is to expose quantum effects that appear on the interaction between few level atoms and electromagnetic radiation, and between radiation modes, considering that the electromagnetic field is quantized. Different problems of interest on the field of Cavity Quantum Electrodynamics were studied, using techniques such us finding the relevant operators in the scenario of dynamical algebras theory, and also the density matrix approach. We studied the problem of a two level atom interacting with two modes of radiation in the presence of a non-linear medium. We found that, for this particular system, the nonlinear medium inhibits the decay of the population of the excited level, and the antibunching effect on the radiation field. We also studied a generalized Jaynes-Cummings hamiltonian that does not take into account the Rotating Wave Approximation, and also in the presence of an external driving field. We found a set of relevant operators suitable for studying this problem, that allows us to solve the temporal evolution of the mean value of the mean value of any quantity of interest. In this thesis, a proposal is made for using a beam-splitter as a state and entanglement detector between two modes of the electromagnetic field. We also found that in some cases we can discriminate between different elements of the Bell basis. We also tackle the problem of the factibility of a proposal for conditionally generating Fock states of the radiation in a cavity. We modified a previously proposed model, account for cavity losses, take into account levels that were adiabatiacally eliminated, and concluded that the proposal is robust under experimental conditions.

Schmiegelow, Christian Tomás. "Experimentos fotónicos de tomografía selectiva y eficiente de procesos cuánticos" (2011) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
Esta tesis presenta la primer demostración experimental de un nuevo método para caracterizar la evolución de sistemas cuanticos de un modo eficiente y selectivo. Es el resultado de una colaboración entre teóricos y experimentales en la busqueda de métodos que permitan caracterizar, controlar y entender el comportamiento de sistemas cuanticos con el objetivo de poder realizar tareas de información cuantica. Esta dividida en dos partes. En la primer parte se desarrollan las bases experimentales y describe el armado del laboratorio. Las técnicas experimentales utilizadas y las ideas fundamentales relacionadas con el uso de fotones como objetos capaces de procesar información cuantica son descriptas. La segunda parte primero revee distintos métodos de tomografía de procesos cuanticos con especial enfasis en el método que implementamos experimentalmente por primera vez: tomografía de procesos cuanticos selectiva y eficiente. Finalmente, se describe la impementación experimental de este nuevo método en sistemas de uno y dos qubits. Las diferentes evoluciones estudiadas presentan clara evidencia de su perfomance robusta en la determinación de propiedades de un sistema de un modo eficiente y selectivo.

Abstract:
This thesis presents the first experimental demonstration of a new method to characterize the evolution of quantum systems in an efficient and selective manner. It is the result of the joint collaboration between theoreticians and experimentalists in a quest to characterize, control and understand the behaviour of quantum systems in order to perform quantum information tasks. It is divided into two parts. The first part covers the experimental foundations and set up of the labo ratory. Experimental techniques used and the basic ideas regarding using single photons as quantum information processing devices are detailed. The second part first reviews different methods for quantum process tomography with special emphasis in the method we experimentally implement for the first time: selective efficient quantum process tomography. Finally, the experimental implementation of this new method on one and two qubit systems is presented. Different evolutions are studied presenting clear evidence of its robust performance in determining in their properties in an efficient and selective manner.

Domené, Esteban A.. "Técnica de error de foco para microscopía de expansión y recuperación térmica (ThERM)" (2013) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
En esta tesis doctoral se presenta el desarrollo de un accesorio fototérmico capaz de caracterizar propiedades térmicas de una muestra midiendo la curvatura superficial de la expansión térmica inducida. La técnica, denominada ThERM por las siglas en inglés Termal Expansion-Recovery Microscopy (microscopia de expansión y recuperación térmica), permite medir mapas bidimensionales de difusividad la difusividad térmica con una resolución micrométrica. Un haz de excitación modulado calienta la muestra induciendo una respuesta térmica. El esquema de detección consiste en un haz de prueba astigmático y un detector de cuatro cuadrantes. De la diferencia entre las diagonales del detector se genera una señal de error de foco (FE) que resulta proporcional al desenfoque del haz de prueba causado por la curvatura superficial de la muestra. Ajustando barridos en frecuencia con un modelo térmico se obtiene una frecuencia de corte que solo depende de la difusividad térmica de la muestra y el tamaño del haz de excitación. Esto permite caracterizar la difusividad térmica de la muestra de manera simple, con una resolución lateral definida por el tamaño del haz de excitación y resolución axial subnanométrica.

Abstract:
In this doctoral thesis we present the design of a photothermal microscope accessory capable of characterizing thermal properties of a sample by probing the surface curvature of the induced thermal expansion. The technique, called ThERM (Thermal Expansion-Recovery Microscopy), allows the retrieval of the thermal diffusivity at microscopic levels and hence mapping such magnitude over a sample surface. A modulated pump laser beam heats the sample, thus inducing a thermal response. The detection scheme consists of an astigmatic probe laser and a four-quadrant detector. From the difference between the diagonals of the detector, a focus error signal is obtained (FE) which is proportional to the defocusing of the probe beam due to the surface curvature. Nonlinear fitting of frequency sweeps with a thermal model allows the retrieval of a cutoff frequency which only depends on the thermal diffusivity of the sample and the pump beam size. Therefore a straightforward retrieval of the thermal diffusivity of the sample is possible, with a lateral resolution defined by the pump beam size and a sub-nanometer axial resolution.

Agüero, Mónica Beatriz. "Fotones en estados entrelazados : mediciones con resolución temporal" (2013-11-28) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
En esta Tesis se realizaron experimentos originales dirigidos a responder preguntas pendientes en el área de la fundamentación de la mecánica cuántica. En particular, se presenta el primer estudio experimental de teorías realistas locales no ergódicas que aprovechan el coincidence-loophole y/o efectos de memoria. En los tests realizados se estudiaron los distintos mecanismos que permiten generar una coincidencia, en los que se sustentan estas teorías para reproducir, a través de mecanismos clásicos, las predicciones de la mecánica cuántica. Para la realización de estos tests se emplearon pares de fotones entrelazados en polarizaci ón generados por fluorescencia paramétrica y se registraron los tiempos de detección de cada fotón (time-stamping). Es importante destacar que en todos los tests las coincidencias se determinaron una vez finalizado el experimento, variando a voluntad la ventana de coincidencias. En la primera parte de esta Tesis se armó una fuente continua de pares de fotones entrelazados en polarización y se refutó un modelo de realismo local simple que se sustenta en el coincidence-loophole. En la segunda parte se empleó una fuente pulsada de fotones correlacionados producidos en forma de pulsos de nanosegundos. Este es el primer experimento realizado con estas caracter ísticas en el ámbito internacional. Para la realización de este experimento se construyó un láser de estado totalmente sólido de Nd:YVO4 triplicado en frecuencia con un diseño original que emite pulsos con una duración de nanosegundos con una repetición de hasta 100 kHz. Empleando este láser se realizó, además, el primer estudio experimental de las coincidencias accidentales en el régimen pulsado usando la técnica de time-stamping. Para efectuar los diferentes tests también fue necesario registrar los tiempos de detección de todos los pulsos de bombeo, los que permiten establecer el intervalo de tiempo en el que se espera encontrar un par de fotones. Los resultados obtenidos en esta segunda etapa tampoco mostraron ninguna evidencia del coincidence-loophole o de efectos relacionados, refutando o, al menos, imponiendo nuevas y muy severas restricciones, a esta clase de teorías.

Abstract:
In this Thesis we present original experiments aimed to answer remaining open questions in the area of the foundations of quantum mechanics. In particular, we present the first experimental study of non-ergodic local theories which takes advantages of the coincidenceloophole and/or memory effects. In the tests we study the different (local realistic) ways the quantum mechanics predictions can be reproduced if the expected time of detection of each particle is fully unknown. For the realization of these tests, we use polarization-entangled pairs of photons generated by parametric fluorescence, and we record the time of the detection of each single photon (time-stamping). It is important to stress that in all the tests the number of coincidences are determined a long time after the experiment has ended, and that the size of the coincidence window can be varied at will. In the first part of this Thesis, we built a continuous source of polarization-entangled pairs of photons and refute a simple local realist model that exploits the coincidence loophole. In the second part, we built a pulsed source of correlated photons, by pumping the nonlinear crystals with a ns-pulse laser. This is the first measurement of the violation of the Bell’s inequalities performed with these characteristics (i.e., pulse separation much longer than the pulse duration) at the international level. For the realization of this experiment we built an all-solid-state Nd:YVO4 laser (third harmonic) of original design, providing 100-ns pulses with a repetition up to 100 kHz. With this laser we make, besides, the first experimental study of the accidental coincidences in the pulsed regime using the time-stamping technique. In the final tests, the times of detection of each single detected photon, as well as the times of arrival of each pumping pulse, are recorded. This allows defining the interval of time a “signal” photon (as opposed to “noise” photon) is expected to be detected. No evidence of the existence of the coincidence-loophole or related effects is found. This result refutes or, at least, imposes new and tighter restrictions to this class of theories.

Ríos Rubiano, Carlos Alberto. "Interacción dinámica rápida de partículas y campos electromagnéticos con superficies metálicas" (2015-03-13) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
En esta tesis se expone la investigación desarrollada durante la realización del doctorado, la cual abarca el estudio de las superficies metálicas a través de su interacción tanto con fotones - campos electromagnéticos - como con partículas - átomos neutros. En lo referente a la interacción con campos electromagnéticos, la labor se centró en el estudio de las transiciones electrónicas desde la banda de valencia del metal producidas por la incidencia rasante de pulsos láser ultra-cortos, con duraciones del orden de los femto- o atto-segundos. Mientras que en el caso de la interacción con partículas, la investigación estuvo focalizada en la difracción de átomos rápidos, con energías del orden de los keV , por incidencia rasante sobre la superficie cristalina (GIFAD, por sus siglas en inglés). En ambos casos la finalidad del trabajo es estudiar la in uencia del potencial superficial, cuya precisa y detallada representación resulta crucial para la correcta descripción de recientes resultados experimentales en ambas líneas . En los primeros capítulos de la tesis se estudia la fotoemisión electrónica desde la banda de valencia de una superficie metálica debido a la incidencia rasante de pulsos láser ultra-cortos, poniendo especial énfasis en los efectos debidos a la estructura de bandas electrónica. Para ello se propone un método aproximado, dentro del marco de la formulación de onda distorsionada dependiente del tiempo, llamado aproximación Band-Structure-Based-Volkov (BSB-V). Dicho método incluye una representación realista del potencial superficial, dada por un modelo de pseudo-potencial unidimensional que tiene en cuenta efectos de la estructura de bandas del metal. La aproximación BSB-V propuesta se aplicó al cálculo de probabilidades doble diferenciales de fotoemisión -resueltas en energía y ángulo del electrón emitido- desde la banda de valencia de superficies de aluminio y berilio. Como resultado de esta investigación se encontró que en el caso del berilio la estructura de bandas electrónica ejerce una notable in uencia sobre las distribuciones de electrones emitidos, mientras que para el aluminio tales efectos juegan un papel menor. El método BSB-V nos permitió además analizar la contribución de los estados electrónicos superficiales (SESs, por sus siglas en inglés) parcialmente ocupados, hallándose que para la superficie de berilio estos estados producen modificaciones que podrían ser experimentalmente observables en los espectros de emisión electrónica. Por otra parte, con la motivación de determinar los efectos debidos a la orientación cristalográfica del material se evaluaron las distribuciones electrónicas para dos diferentes caras del aluminio - Al(111) y Al(100) - observándose que las diferencias entre los espectros correspondientes dependen fuertemente de los parámetros del pulso. Los resultados de la aproximación BSB-V fueron también contrastados con valores derivados a través de la resolución numérica de la ecuación de Schrëodinger dependiente del tiempo (TDSE), encontrándose una excelente concordancia, lo que brinda confiabilidad al modelo propuesto. También se analizó el rol desempeñado por el potencial inducido dentro del modelo BSB-V. Dicho potencial describe la respuesta electrónica dinámica del material al campo eléctrico externo, la cual, dependiendo de las características del pulso, puede alterar marcadamente los espectros de emisión electrónica. En particular, sus efectos se tornan visiblemente evidentes para pulsos con frecuencia portadora cercana a la del plasmón superficial, donde aparecen contribuciones resonantes, y para pulsos con baja frecuencia, en el rango infrarrojo, en donde el comportamiento del material se asemeja al correspondiente caso estático. Por otra parte, dado que recientemente se publicaron resultados experimentales de emisión fotoelectrónica desde una superficie de magnesio , obtenidos con la técnica de espectroscopía de atto-segundos, se calcularon distribuciones fotoelectrónicas para esta superficie considerando pulsos con diferentes duraciones y frecuencias, trazando así un camino para avanzar con el desarrollo de la descripción teórica del problema. En la segunda parte de la tesis se investiga la difracción de átomos rápidos de helio que inciden en forma rasante sobre una superficie de Ag(110). En este caso los resultados fueron comparados con datos experimentales del grupo de P. Roncin (Universitè Paris-Sud, Francia), con el que se trabajó en colaboración, siendo los patrones de difracción experimentales una herramienta extremadamente sensible para probar el modelo de potencial superficial. En este caso la interacción proyectil-superficie fue representada con un modelo ab-initio derivado en el marco de la teoría de funcional densidad (DFT), mientas que el proceso de colisión elástica, característico de la difracción, fue descripto por medio de la aproximación Superficial Eikonal (SE). La aproximación SE es un método de onda distorsionada que tiene en cuenta la interferencia cuántica entre las contribuciones procedentes de diferentes trayectorias del proyectil, las cuales son evaluadas a partir de la dinámica clásica considerando la completa corrugación del potencial superficial. A partir del buen acuerdo observado entre las distribuciones de momento teóricas y experimentales correspondientes a incidencia a lo largo de diferentes direcciones cristalográficas se concluyó que el modelo de potencial propuesto brinda una adecuada descripción de la interacción superficial en el rango de energías perpendiculares a la superficie del orden de los cientos de meV . Dado que en los procesos de GIFAD desde superficies metálicas las transiciones inelásticas son consideradas una fuente importante de decoherencia, se estudió también la energía perdida por los átomos de helio axialmente dispersados desde la superficie de Ag(110) con el fin de investigar la influencia de los procesos disipativos en los patrones de difracción. Las distribuciones finales de momento del proyectil fueron evaluadas dentro de un formalismo semi-clásico que incluye efectos disipativos debido a excitaciones electrón-hueco por medio de una fuerza de fricción dependiente de la densidad electrónica local. Para incidencia a lo largo de una dirección de bajo índice cristalográfico, con una dada energía de impacto, el modelo predice la presencia de marcadas estructuras en el espectro de pérdida de energía, las cuales proporcionan información detallada acerca de la dependencia de la pérdida de energía con la trayectoria del proyectil. Sin embargo, estas estructuras desaparecen completamente cuando se toma en cuenta la dispersión experimental del haz incidente, dando lugar a una distribución de pérdida de energía suave, en buen acuerdo con los datos experimentales disponibles . Además, nuestros resultados sugieren que los procesos inelásticos producen un fondo casi constante en la distribución de momento transversal de los proyectiles dispersados, excepto en los extremos del espectro, donde aparecen máximos asociados al denominado rainbow clásico. Finalmente concluimos que los patrones de difracción experimentales son bien reproducidos a partir de la adición de las contribuciones elásticas e inelásticas.

Abstract:
In this thesis we expose the research developed during the doctoral studies, which involves the investigation of metal surfaces through its interaction with both, photons - electromagnetic fields - and particles - neutral atoms. With regard to the interaction with electromagnetic fields, the work focuses on the study of electronic transitions from the valence band of the metal produced by grazing incidence of ultra-short laser pulses, with durations of the order of femto- or atto-seconds. Concerning the interaction with particles, the investigation is centered on the diffraction of fast atoms, with energies of the order of keV s, by grazing incidence on crystal surfaces (GIFAD). In both cases the purpose is to study the in uence of the surface potential, whose precise and detailed representation is crucial for the proper description of recent experimental results on both lines . In the first chapters of the thesis we study the photoelectron emission from the valence band of a metal surface due to grazing incidence of ultra-short laser pulses, with special emphasis on the in uence of the electronic band structure. With such an aim we developed an approximate method within the framework of the time-dependent distorted wave formalism, named Band-Structure-Based-Volkov (BSB-V). The proposed approach includes a realistic representation of the surface potential, given by a one-dimensional pseudo-potential model , which takes into account effects of the band structure of the metal. The BSB-V approach was applied to calculate double differential photoemission probabilities -resolved in energy and angle of the emitted electron- from the valence band of aluminum and beryllium surfaces. As a result of this investigation it was found that in the case of beryllium, the electronic band structure has a remarkable in uence on the distribution of the emitted electrons, whereas for aluminum such effects play a minor role. The BSB-V method allowed us to analyze the contribution of partially occupied surface electronic states (SESs), observing that for the beryllium surface, these states produce modifications that might be experimentally observable in the electron emission spectra. On the other hand, in order to determine the in uence of the crystallographic orientation of the material, electronic distributions for two different faces of the aluminum -Al(111) and Al(100)- were evaluated, concluding that the differences between the corresponding spectra depend strongly on the pulse parameters. BSB-V results were also contrasted with values derived by means of the numerical solution of the time dependent Schrëodinger equation (TDSE), finding an excellent agreement, which confirms the reliability of the proposed model. We also investigate the role played by the induced potential within the BSB-V approach. This potential describes the dynamic response of the material to the external electric field. Depending on the characteristics of the pulse, the induced potential can markedly modify the electron emission spectra. These effects become more evident for pulses with carrier frequencies close to the surface plasmon one, where resonant contributions appear, and for low-frequency pulses, in the infrared range, where the induced field tends to the static limit. Furthermore, since experimental data of photoelectron emission from a magnesium surface, obtained with the attoseconds spectroscopy technique, were recently reported , we present electron distributions for this surface, derived within the BSB-V approximation by considering pulses with different durations and frequencies. Such a research represents a step forward to the complete understanding of the problem. In the second part of the thesis, diffraction patterns of fast helium atoms grazing scattered off a Ag(110) surface are investigated. Our theoretical results were compared with experimental data of the group of P. Roncin (Universitè Paris-Sud, Francia), with whom we worked in collaboration. Since GIFAD patterns are extremely sensitive to the surface interaction, we use experimental momentum distributions of GIFAD to evaluate the performance of a surface potential model derived from ab-initio calculations obtained from Density Functional Theory (DFT). To deal with the elastic collision process involved in the diffraction phenomenon we use a semi-classical method, named Surface Eikonal (SE) approximation. The SE approach is a distorted wave theory that takes into account the quantum interference among transition amplitudes corresponding to different projectile trajectories, which are evaluated from classical dynamics including the complete corrugation of the surface potential. The good agreement between experimental and theoretical projectile distributions allows us to conclude that the proposed potential model provides an adequate description of the surface interaction in the range of energies associated with the initial motion perpendicular to the surface of the order of the hundreds of meV s. In addition, in order to analyze the in uence of dissipative processes in diffraction patterns we study the energy lost by helium atoms axially scattered from a Ag(110) surface. Final projectile distributions were evaluated within a semi-classical formalism that includes dissipative effects due to electron-hole excitations by means of a friction force that depends on the local electron density. For incidence along a low index crystallographic direction with a given impact energy, the model predicts the presence of structures in the energy loss spectrum, which provide detailed information about the dependence on the projectile trajectory. However, these structures disappear completely when the experimental dispersion of the incident beam is taken into account, resulting in a smooth energy loss distribution, in good agreement with available experimental data . Moreover, our results suggest that inelastic processes produce a nearly constant background in the transverse momentum distribution of scattered projectiles, except around classical rainbow angles, where rainbow maxima are present. Finally, we conclude that experimental diffraction patterns are well reproduced from the addition of the elastic and inelastic contributions.

Caldarola, Martín. "Diseño y aplicación de microscopías avanzadas para el estudio de problemas de mecanotransducción celular y nanoplasmónica" (2015-03-30) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
El estudio de problemas que requieren resolución espacial y especificidad química, en condiciones físico-químicas o biológicas altamente controladas, demanda el desarrollo de herramientas específicas, novedosas, versátiles y de plataforma abierta que permitan la libre elección y control de los parámetros relevantes al problema en cuestión. En esta Tesis se han encarado problemas en campos diversos como son la biofísica y la nanofotónica, pero que utilizan una misma plataforma de microscopía avanzada, adaptada especialmente para cada aplicación. En el campo de la biofísica, se estudió la dinámica de formación y remodelado de adhesiones focales (FA). Las FAs son complejos multiproteicos que sirven a la célula como puntos de anclaje en la matriz extracelular. Su proceso de formación consta de distintas etapas y escalas temporales que dependen sustancialmente de las fuerzas aplicadas a la célula. Para poder estudiar y entender este complejo proceso, altamente dinámico, es necesario realizar mediciones precisas de las fuerzas involucradas y poder correlacionarlas con la respuesta bioquímica de la célula. Se presenta una técnica que permite obtener información cuantitativa de la respuesta de células vivas a estímulos mecánicos locales y con especificidad molecular, basada en la combinación de un microscopio de fuerza atómica (AFM), con un microscopio óptico de fluorescencia. Con esta técnica se estudiaron proteínas citosólicas presentes en las adhesiones focales, tales como vinculina, FAK y zixina. Se observó la formación de una adhesión focal naciente en el caso de la vinculina, se cuantificó el tiempo de reclutamiento para la FAK y se estudió la distribución espacial de la zixina en adhesiones focales maduras. Estos resultados muestran la utilidad de este desarrollo para el estudio de procesos biofísicos complejos involucrados en la mecanotransducción celular. En el campo de la nanofotónica y en particular de la nanoplasmónica, las llamadas nanoantenas metálicas han sido ampliamente utilizadas en los últimos años para intensificar y confinar la luz en volúmenes muy pequeños. Sus diversas aplicaciones van desde el sensado molecular hasta las microscopías de alta resolución. La intensificación local del campo electromagnético se debe a la excitación resonante de los llamados plasmones superficiales en los metales nanoestructurados. Sin embargo, uno de los problemas fundamentales de este esquema consiste en la altísima generación de calor en la nanoesacala, producida por la excitación resonante. La plataforma multifunción desarrollada en esta Tesis admite ser utilizada en la configuración de microscopio confocal de doble haz, que permite el control independiente de la generación de calor en la nanoantena, producido por uno de esos haces. La mencionada configuración fue utilizada en dos problemas de nanoplasmónica relacionados: A) el desarrollo y prueba de principios de un nuevo esquema de sensado molecular, que utiliza como mecanismo de sensado el calentamiento plasmónico de nanocilindros de oro y la consecuente dependencia de la intensidad de fluorescencia con la temperatura. B) El desarrollo de un método de mapeo térmico de alta resolución basado en la disminución de la intensidad de fluorescencia de un film polimérico dopado con moléculas fluorescentes y depositado sobre la muestra a estudiar. Con este método se estudió y comparó el desempeño de nanoantenas plasmónicas metálicas y semiconductoras, arrojando como resultado que las semiconductoras alcanzan menores temperaturas que las metálicas. Esto demuestra que las nanoantenas semiconductoras podrían utilizarse en esquemas de sensado ultrasensible, como ser SERS, sin afectar la muestra por calentamiento. Finalmente, se construyó y caracterizó una fuente de luz solitónica sintonizable por potencia, basada en una fibra óptica de cristal fotónico (PCF), que sirve como fuente de luz alternativa para el microscopio confocal. Se mostró que el ancho de pulso de los solitones se mantiene constante para todo el rango de sintonizabilidad (860-1200 nm) en un valor de 45 fs. También se muestra la robustez de esta fuente de luz ante variaciones del chirp del pulso de entrada. Las particulares características de esta fuente de luz, principalmente su amplia y rápida sintonizabilidad, abre diversas alternativas para el estudio de propiedades físico-químicas de materiales así como propiedades bioquímicas en sistemas biológicos. Palabras clave: Microscopías ópticas de fluorescencia. Microscopía de Fuerza Atómica. Mecanotransducción celular. Nano-antenas. Solitones en fibras ópticas de cristal fotónico.

Abstract:
The study of problems that require both spatial resolution and chemical specificity demands the development of specific and adaptable tools for the relevant variables of each problem. In this thesis we have studied two problems from different fields such as biophysics and nanophotonics, using the same platform of advanced microscopy. In the biophysics field, we studied the dynamics of formation and remodeling of Focal Adhesions (FA). FAs are multiprotein complex the cell creates to anchor to the extra cellular matrix. This adhesion process is a highly dynamic force-dependent process that evolves at several temporal scales. An understanding of this process requires precise measurements of forces and its correlation with the biochemical responses in living cells. We present a method that allows to access quantitatively information about live cell responses when a controlled, local and specific mechanical stimulus is applied to live cells. This approach combines atomic force microscopy (AFM) with fluorescence imaging. Using this combined technique, we studied the recruitment of adhesion proteins such as vinculin, FAK and zyxin triggered by applying forces in the nN regime. We observed the development of a nascent adhesion site, which was evident from the accumulation of vinculin at the position where the force was applied. In addition, we quantified the recruitment time for FAK in the formation of a new adhesion site, and analyzed the zyxin spatial distribution remodeling in mature focal adhesion as a function of the applied force. We have demonstrated that this method is a useful tool for the study of a variety of complex biological processes involved in cellular mechanotransduction. In nanophotonics and particularly in nanoplasmonics field, we studied metallic nanoantennas, which have recently been widely used to enhance and confine light in nanometric volumes. Nanoantennas have been proved to be useful in a variety of applications that range from molecular sensing to high resolution microscopies. The local field enhancement is due to so called plasmonic resonances, produced by the collective oscillation of the conducting electrons in metals. However, there is a fundamental problem with this scheme: metallic structures suffer from ohmic losses, leading heating of the structure and its local environment. The multipropose platform developed in this thesis includes a dual beam confocal microscope, which allows the use of one laser to control the heat generation independently from the fluorescence excitation. This configuration was used in two related nanopalsmonic problems: A) the development and proof of principles of a new molecular sensing scheme, based in the plasmonic heating of gold nanorods and its consequent decrease in the fluorescence intensity. B) The development of a method of thermal mapping based in the decrease of fluorescence intensity with increasing temperature, using a polimeric thin film with fluorophores embedded deposited on the samples. We compared the temperature increase in gold and silicon nanoantennas when they are illuminated by a near infrared laser and we show lower temperature increase in the semiconductor structures. This fact demonstrates that semiconductor nanoantennas, unlike the metallic, can be used in ultra-sensitive schemes such as SERS without heating the sample. In addition, we built and characterized a high-speed wavelength tunable photonic crystal fiber-based source, capable of generating tunable femtosecond solitons in the infrared region. This unique light source can be used as an alternative excitation source for the confocal configuration. Through measurements and numerical simulation, we show that both the pulsewidth and the spectral width of the output pulses remain nearly constant over the entire tuning range (860 to 1200 nm). We also show that this source is insensitive to chip variations in the pump pulse, even in the case of heavily chirped pulses. All these remarkable properties open up diverse alternatives to study physical and chemical properties of materials as well as biochemical properties in biological systems. Key words: Optical fluorescence Microscopy. Atomic Force Microscopy. Cellular mechanotransduction. Nanoantennas. Solitons in pohtonic crystal fibers.

Pellegrotti, Jesica Vanesa. "Manipulación de fluorescencia molecular mediante nanopartículas metálicas" (2015-03-31) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Rizzo, Bruno. "Transporte cuántico e interferencia en sistemas mesoscópicos" (2015-04-01) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
Caracterizar y manipular los estados cuánticos es una tarea esencial para el avance de la tecnología relacionada con el desarrollo de la electrónica de pequeña escala y la computación cuántica. La generación y manipulación de estados, son la base para realizar cualquier procesamiento cuántico de la información. El objetivo general de esta tesis es el de investigar sistemas eléctricamente controlables, de interés para aplicaciones de espintrónica y computación cuántica. Con este fin, presentamos un estudio sobre las propiedades del transporte en una serie de sistemas mesoscópicos. Para ello, utilizamos el formalismo de funciones de Green fuera del equilibrio (también conocido como de Kadanoff-Baym-Schwinger-Keldysh). En una primera parte, estudiamos un anillo de Aharonov-Bohm unidimensional, como mediador de entrelazamiento de dos partículas entre reservorios de electrones libres. Allí vemos como las correlaciones de corriente entre los distintos reservorios sirven, en determinadas circunstancias, para estimar el grado de entrelazamiento orbital. En la segunda parte de esta tesis, presentamos un modelo de un aislador topológico bidimensional donde los estados de borde son helicoidales y están protegidos por la simetría de reversión temporal. Estudiamos el comportamiento de la corriente en presencia de contactos puntuales que favorezcan el paso de partículas entre distintos canales y vemos como el ruido de frecuencia cero permite estimar la presencia o ausencia de procesos de salto entre canales con distinto espín. Mostramos que, a partir de dos contactos puntuales, es posible construir un interferómetro con estados de borde. Por último, analizamos la posibilidad de generar procesos efectivos de salto entre los distintos estados de borde a partir del acoplamiento con un 'anti-punto' cuántico.

Abstract:
To characterize and manipulate quantum states is essential for technological developments related to small-scale electronics and quantum computing. The generation and manipulation of states are the basis for any quantum information processing. The main objective of this thesis is to investigate electrically controllable systems of interest for applications in spintronics and quantum computing. To this end, we present a study of the transport properties of a series of mesoscopic systems. We use the formalism of Green's functions out of equilibrium (also known as Kadanoff-Baym-Schwinger-Keldysh techniques). In the first part, we study a one-dimensional ring that mediates the two-particle entanglement in free electrons reservoirs. Here we see that the current correlations between different reservoirs serve, in certain circumstances, to estimate the degree of orbital entanglement. In the second part of this thesis, we present a model of a two-dimensional topological insulator where helical edge states are protected by time reversal symmetry. We study the behavior of the current in the presence of point contacts that favor the hopping of particles between different channels and use the zero-frequency noise to estimate the presence or absence of spin- ip hopping in real setups. We show that, for two quantum point contacts, it is possible to construct an interferometer with edge states. Finally, we discuss the possibility of creating effective spin-flip processes between different edge states from the coupling with a quantum anti-dot.

Gargiulo, Julián. "Impresión óptica de nanopartículas metálicas" (2017-03-23) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
Las nanopartículas metálicas (MNPs) presentan propiedades optoelectrónicas únicas que dependen de su forma y su tamaño y que no están presente en partículas de tamaños macroscópicos. Estas propiedades surgen a partir de sus resonancias plasmónicas superficiales localizadas (LSPRs), que producen intensificaciones enormes del campo electromagnético cerca de la superficie de las MNPs y aumentan sus secciones eficaces de dispersión y absorción. Estos efectos han motivado el uso de las MNPs en muchas aplicaciones del campo de la nanotecnología, incluyendo el sensado ultra-sensible, celdas solares, fotónica, microscopía, catálisis, medicina y farmacéutica. La fabricación de MNPs puede conseguirse mediante métodos top-down(de arriba hacia abajo) o bottom-up(de abajo hacia arriba). En los primeros, un proceso litográfico o de ataque químico le agrega morfología a una película metálica previamente depositada sobre un sustrato. De esta manera pueden fabricarse estructuras en dos dimensiones con alta precisión y resolución. Sin embargo, la calidad del material es en general pobre y se obtienen partículas policristalinas con bordes rugosos. Además, la combinación de dos o más materiales mediante estas técnicas es complicada. Por otro lado, MNPs de una gran variedad de formas y composiciones pueden ser producidas en procesos bottom-up mediante sintesis química. Estas MNPs son monocristalinas y se les puede dar funciones químicas o biológicas específicas en su superficie. Sin embargo, las MNPs coloidales se obtienen en suspensiones líquidas y no es fácil controlar su ensamblado en posiciones precisas de un sustrato. Uno de los desafíos actuales de la nanotecnología es el desarrollo de un método para controlar su ensamblado con precisión nanométrica, lo que permitiría la aplicación de la enorme librería de partículas coloidales en nano y micro-dispositivos. La impresión óptica de MNPs es un método puramente óptico que puede cumplir este objetivo. El mismo emplea láseres fuertemente enfocados para atrapar MNPs desde una suspensión coloidal y llevarlas individualmente hasta posiciones específicas de un sustrato con gran precisión y versatilidad de diseño. Debido a que esta basada en fuerzas ópticas y que la interacción de la luz depende fuertemente de la forma y el material de la MNP, la técnica tiene un gran potencial para la deposición selectiva de diferentes tipos de MNPs y su combinación en patrones organizados. Esta tesis presenta un estudio sistemático de la precisión y la resolución de la técnica de impresión óptica de nanoparticulas metálicas. Su potencial, sus limitaciones y perspectivas son analizadas en base a experimentos y consideraciones teóricas. En primer lugar, la precisión para inmovilizar MNPs únicas fue estudiada en función de la potencia del láser de impresión, para MNPs esféricas de oro y plata. Se identificaron dos regímenes diferentes, dependiendo de si el láser utilizado estaba o no sintonizado con la LSPR de la partícula. Sorprendentemente y a pesar de ser una técnica óptica de campo lejano, es posible imprimir MNPs con una precisión cercana a los 50nm, muy por debajo del límite de difracción. Luego se estudió la resolución de la impresión óptica, entendida como la capacidad de imprimir dos o más partículas a distancia controlada. Antes de este trabajo hubo varios reportes en donde se mostró que era imposible imprimir dos partículas a distancias menores que 200 - 300 nm, debido a una repulsión de naturaleza incierta. Este hecho constituyó una importante limitación en la técnica, que impidió su implementación para fabricar circuitos de MNPs conectadas o estructuras con partículas acopladas plasmonicamente. En esta tesis se estudiaron los orígenes de esa repulsión y se encontró que estaba relacionada al calentamiento óptico de las partículas ya impresas sobre el sustrato. Se propusieron y pusieron a prueba experimentalmente varias estrategias para lograr la impresión de partículas conectadas, lográndose por primera vez la impresión óptica de partículas conectadas y con orientación bien definida. Finalmente, la impresión óptica fue utilizada como una herramienta para el estudio sistemático de reacciones químicas el nivel de partícula única. NPs de oro impresas ópticamente fueron usadas como semillas a partir de las cuales se obtuvieron NPs más grandes mediante la reducción asistida por plasmónica de HAuCl4acuoso. De esta manera la geometría final de cada partícula se controló independientemente.

Abstract:
Metal nanoparticles (MNPs) present unique size and shape dependent optoelectronic properties that are not present in larger particles or the bulk material, which arise from their localized surface plasmon resonances (LSPRs). LSPRs produce dramatic enhancements of the electromagnetic field close to the surface of the particle as well as large scattering and absorption cross-sections. These particular properties have motivated the use of MNPs in many applications in the field of nanotechnology, including ultra-sensitive sensing, light harvesting, imaging, photonics, catalysis, and medical and pharmaceutical therapies. The fabrication of MNPs can be achieved by top-down or bottom-up approaches. In thefirst, lithographic or etching processes add morphology to a thin metallic film previously deposited on a substrate. In this way, two-dimensional nanostructures can be fabricated with high precision and resolution, but the material quality is usually poor leading to polycrystalline nanoparticles with rough surfaces. Also, combining two or more materials is challenging. On the other hand, bottom-up produced colloidal MNPs can be obtained by chemical synthesis with a vast variety of shapes and compositions not available by top-down approaches. These nanoparticles are usually monocrystalline and can hold specific biological or chemical functions at their surfaces. However, colloidal nanoparticles are obtained in liquid suspensions and controlling their assembly onto precise positions of a substrate is not straightforward. Developing a method to control their assembly onto substrates with nanometric precision is one of the open challenges of nanotechnology. Such a method would enable the application of the enormous library of colloidal nanoparticles on nano- and micro-devices. Optical printing is a powerful all-optical method that can accomplish this goal. It employs highly focused laser beams to trap colloidal nanoparticles from suspension and deliver them individually into specific locations on a surface with high accuracy and flexibility of pattern design. Since it is based on optical forces and the interaction of light with MNPs is size and composition dependent, the technique has a strong potential for selective deposition of different kinds of MNPs and their combination in organized patterns. This thesis presents a systematic study of the precision and resolution of optical printing applied to MNPs. Its potential, limitations and perspectives are analysed based on measurements and theoretical considerations. First, the precision of optical printing to immobilize single MNPs was studied as a function of the laser power, for MNPs made of gold and silver. Two different regimes were identified depending on whether the laser used is tuned to the LSPR or not. Remarkably, in spite of being a far-field optical technique, MNPs can be printed with a precision of about 50 nm, well beyond the diffraction limit. Next, the resolution of optical printing, i.e. the capacity to print two or more MNP at controlled distances, was addressed. Before this work, several reports had shown that it was impossible to print two MNPs closer together than 200 - 300 nm, due to a repulsion of unclear nature. This constituted an important limitation that has obstructed the use of optical printing for the fabrication of plasmonically coupled structures and circuits of connected NP. In this thesis, the origin of this repulsion was investigated and found to be related to optical heating of the already printed MNP. Furthermore, several strategies to fectively print connected MNPs were proposed and tested, accomplishing for the first time optical printing of connected nanoparticles with well-defined orientation. Finally, optical printing was applied as a tool for studying systematically chemical reactions at the single MNP level. As an example, optically printed gold NPs were used as seeds to obtain larger NPs by plasmon-assisted reduction of aqueous HAuCl4. In this way, supported MNPs were reshaped in situ to controlled final morphologies.

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