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Atomic force microscopy study of elastic properties of vapor-phase-deposited lipid membranes
(2018) Catalán López, Rodrigo Esteban; Volkmann, Ulrich; Pontificia Universidad Católica de Chile. Facultad de Física
In this work we present a study of phase transitions and their relation with the elastic properties of three phospholipid membranes, namely 1,2-dimyristoyl-snglycero-3-phosphocholine (DMPC), 1,2-dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DPPC) and 1,2-distearoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DSPC). Samples were generated individually by physical-vapor-deposition of the lipid molecules mentioned over acid-cleaned polished silicon chips. The thickness of the samples were measured with Very High Resolution Ellipsometry. Average thickness are 60˚Athickness on average. The molecular consistency of the lipids were characterized using Raman spectroscopy. The Young’s modulus of the lipid membranes was obtained applying the Hertz model to data acquired with Atomic Force Microscopy in Quantitative Imaging feedback mode. Finally, the individual dependence of these lipids respect to temperature changes was used to detect the main gel-to fluid phase transition.The results in the present work show an expected softening of the lipid membranes just after the main phase transition, although the values of the elastic modulus found do not match the ones reported in the literature. However, the general trends correlate well with the ones found in other works. Nevertheless,systematic investigations using similar conditions as ours are still scarce.The acquisition of information related to the elastic properties and stability of the membranes is relevant for future works on protein insertion, and to understand the lipid membranes dependance on several other environmental conditions like changes in temperature, pH-dependence or ionic strength concentration.
Correcciones magnéticas a las longitudes de scattering π-π en el modelo sigma lineal
(2018) Monje Apablaza, Leandro; Loewe Lobo, Marcelo Patricio; Pontificia Universidad Católica de Chile. Facultad de Física
En este trabajo se consideran las correcciones magnéticas a las longitudes de scattering en el marco del modelo sigma lineal. Para esto se consideraron todas las correcciones a un loop en los canales s, t y u, asociados a la inserción del propagador de Schwinger correspondiende a piones cargados, trabajando en el régimen de valores pequeños para el campo magnético. Este cálculo se basa en una expansión acorde para el propagador, resultando en que la longitud de scattering líder, t = 0 en el canal s, aumenta a medida que el campo magnético crece, en caso de isospín I = 2, mientras que el efecto opuesto se aprecia para el caso I = 0. La simetría de isospín es válida debido a que la inserción de campo magnético ocurre a través del valor absoluto de la carga eléctrica. Notamos, además que el canal I = 1 no recibe correción alguna. Además se ha de destacar que este resultado para los canales I = 0 y I = 2 es contrario respecto a las correciones térmicas para las longitudes de scattering halladas previamente en la literatura.
Creación de defectos ópticos poco profundos en sólidos por implantación de iones
(2020) Reyes Almanza, Arturo; Maze Ríos, Jerónimo; Pontificia Universidad Católica de Chile. Instituto de Física
Desde hace poco más de una década investigaciones de defectos en sólidos han tenido gran relevancia. La manipulación coherente y controlada de sistemas cuánticos como el espín nuclear y electrónico asociados a moléculas creadas de forma artificial en sistemas sólidos, permitirá el desarrollo de sistemas altamente sensibles. Defectos ópticos puntuales cercanos a la superficie como los centros NV en diamante, son objetos de estudio debido a su alta sensitividad magnética. Para estos fines, el desarrollo de una metodología para el control en la creación de defectos ópticos en sólidos es fundamental. Este trabajo realiza el método de implantación de iones a baja energía para la creación de defectos ópticos de centro NV cercanos a la superficie. Por medio de un cañón de iones se ionizó gas 14N a 5000 eV para generar un haz de iones focalizado que impactó una muestra de diamante tipo IIa ultra puro. Ambas caras del material se expusieron a 9 puntos producidos por el sistema de implantación. El diámetro del haz logrado fue de 600 µm. La cara 1, a una presión de 3 x 10−7 mbar, se expuso a un haz de 3 µA obteniendo una dosis aproximada por punto de 2 x 1017 iones·cm−2. La cara 2, a una presión de 5.4 x 10−7 mbar, fue expuesta a un haz de 5 µA, obteniendo una dosis por punto de 1 x 1019 iones·cm−2 . Posteriormente, la muestra de diamante fue calentada a 800°C. Por medio de un análisis en SRIM se determinó que en promedio los iones alcanzan una profundidad de 8.5 nm. Mediante microscopía confocal en cada cara se encontraron 8 defectos ópticos de espectro de emisión asociados a Centros L1 los cuales requieren mayores estudios para su caracterización.Desde hace poco más de una década investigaciones de defectos en sólidos han tenido gran relevancia. La manipulación coherente y controlada de sistemas cuánticos como el espín nuclear y electrónico asociados a moléculas creadas de forma artificial en sistemas sólidos, permitirá el desarrollo de sistemas altamente sensibles. Defectos ópticos puntuales cercanos a la superficie como los centros NV en diamante, son objetos de estudio debido a su alta sensitividad magnética. Para estos fines, el desarrollo de una metodología para el control en la creación de defectos ópticos en sólidos es fundamental. Este trabajo realiza el método de implantación de iones a baja energía para la creación de defectos ópticos de centro NV cercanos a la superficie. Por medio de un cañón de iones se ionizó gas 14N a 5000 eV para generar un haz de iones focalizado que impactó una muestra de diamante tipo IIa ultra puro. Ambas caras del material se expusieron a 9 puntos producidos por el sistema de implantación. El diámetro del haz logrado fue de 600 µm. La cara 1, a una presión de 3 x 10−7 mbar, se expuso a un haz de 3 µA obteniendo una dosis aproximada por punto de 2 x 1017 iones·cm−2. La cara 2, a una presión de 5.4 x 10−7 mbar, fue expuesta a un haz de 5 µA, obteniendo una dosis por punto de 1 x 1019 iones·cm−2. Posteriormente, la muestra de diamante fue calentada a 800°C. Por medio de un análisis en SRIM se determinó que en promedio los iones alcanzan una profundidad de 8.5 nm. Mediante microscopía confocal en cada cara se encontraron 8 defectos ópticos de espectro de emisión asociados a Centros L1 los cuales requieren mayores estudios para su caracterización.
Efectos de la escala de Planck en un Modelo Majorón Seesaw Tipo-II modificado
(2023) Mite Calibar, Nelly Stefanía; Muñoz Tavera, Enrique; Pontificia Universidad Católica de Chile. Instituto de Física
El Modelo Estándar es una de las teorías más exitosas dentro de aquellas que describen los fenómenos físicos, siendo capaz de describir con gran precisión las interacciones entre las partículas fundamentales que conforman la materia. Sin embargo, ha dejado algunas preguntas abiertas, por ejemplo, no ha sido capaz de explicar, en su formulación actual, la masa de neutrinos y la existencia de la materia oscura. A consecuencia de esto, constantemente se estudian diferentes formas de modelos más allá del modelo estándar para intentar dar explicaciones a estos fenómenos. Extensiones al modelo estándar se han llevado a cabo de diversas maneras, dentro de las cuales podemos encontrar los modelos seesaw y de Majorones. En ambos, se intenta proponer una explicación para la generación de masas de neutrinos. En los modelos seesaw se plantea la existencia de partículas mediadoras más pesadas en la generación de masas de neutrinos, mientras que en los modelos de tipo Majorón relacionan el rompimiento del número leptónico (LN) al origen de éstas mismas. En la presente investigación, se estudió un modelo de Majorón en régimen Seesaw Tipo-II modificado a la escala de Planck, donde se han incluido un singlete y triplete escalar en adición al doblete de Higgs del modelo estándar. Nuestra principal motivación radica en que, si los neutrinos son partículas masivas de tipo Majorana, entonces el número leptónico necesariamente se rompe. En este caso, la simetría global del número leptónico se rompe espontáneamente, debido a que los campos escalares adquieren un valor de expectación del vacío no nulo. Esto, además, resulta en la aparición de un bosón de Goldstone sin masa en nuestra teoría, el Majorón, J. En el modelo Majorón-seesaw tipo-II no hay rompimiento explícito de simetrías, ya que el rompimiento se produce de manera espontánea debido a los campos que adquieren un valor de expectación del vacío distinto de cero. Sin embargo, surge la interrogante acerca de si al inducir términos producto de efectos gravitacionales no perturbativos en la teoría, el Majorón podría convertirse en un candidato viable a materia oscura. En el modelo original, el Majorón corresponde a un bosón de Goldstone, lo que implica que es una partícula sin masa. No obstante, en nuestra extensión, la presencia de 13 nuevos operadores de dimensión 5, suprimidos por la escala de Planck, inducidos en el potencial escalar de nuestro modelo, generan correcciones a la masa de J. Las contribuciones provenientes de estos operadores son pequeñas, debido a esta supresión por la escala de Planck. Lo anterior, junto a las restricciones impuestas al espacio de parámetros y los diferentes filtros, nos conduce a que las masas obtenidas para el Majorón se encuentran en el rango keV-MeV. Se realizaron búsquedas en el espacio de parámetros del modelo extendido, donde se encontró que para que el Majorón sea un buen candidato a materia oscura es necesario que sea estable o que posea un tiempo de vida lo suficientemente grande, comparable con la edad del universo. El Majorón, en principio, puede interactuar con los neutrinos a nivel árbol, pero este acoplamiento es pequeño, por lo que el tiempo de vida de Majorones decayendo a neutrinos sería considerable. Por otra parte, también hemos tomado en cuenta el decaimiento a un loop de Majorones a fotones y de Majorones a electrones, al analizar un espacio de parámetros donde se obtuvieron masas suficientes para abrir este canal de decaimiento. De acuerdo a esto, se encontró que el tiempo de desintegración total de Majorones cumple con el requisito de superar la edad actual estimada del universo. Para las distintas búsquedas del espacio de parámetros, se encontró que el rango de masas para el Majorón, compatible con todas las restricciones y filtros impuestos en el modelo, corresponde a 10−9 GeV < m J < 10−2 GeV. Valores que dependen principalmente del vev del singlete, en el rango 10 6 GeV < v1 < 10 10 GeV. Respecto de otros parámetros fundamentales del modelo, hallamos que 10−4 GeV < v3 < 7 GeV y 10−9 < κ < 10−5, quienes cumplen un rol importante en la magnitud de las masas de los campos principalmente tripletes, H±, H±±, A y h2, cuyos valores se encuentran entre 10 2 GeV < m < 10 5 GeV. Para concluir, se estudió la producción de Majorones en el universo temprano mediante el mecanismo de freeze-in, considerando diferentes filtros al espacio de parámetros, mostrando que la abundancia de Majorones encontrada es compatible con la densidad fósil de materia oscura conocida en el universo.
Espacio overspinning y singularidades en espacios BTZ
(2023) Briceño Catalán, Matías Sebastián Camilo; Bañados, Máximo; Martínez, Cristián; Pontificia Universidad Católica de Chile. Instituto de Física
En esta tesis se estudia el espacio Overspinning, solución a las ecuaciones de Einstein con constante cosmológica negativa (-1/ L^2) en 2+1 dimensiones tal que su momentum angular J sea mayor en módulo a su masa M, esto es, |J |> L |M| . Este espacio-tiempo comparte métrica con el agujero negro BTZ, pero al estar en otro rango de valores de (M,J) no posee horizonte de eventos, dando lugar a una singularidad desnuda. Se encontra su embedding sobre la pseudo esfera definida en R(2,2) al identificar puntos en la superficie. Se integran las ecuaciones de movimiento para sus geodésicas concluyendo que este espacio es geodésicamente incompleto. Con la estructura geodésica se muestra que este espacio es una solución razonable a las ecuaciones de Einstein, con una singularidad quasiregular. Además se estudia la singularidad presente en todos los espacios tipo BTZ a partir de las holonomías que la encierran. Se calculan sus holonomías sobre el espacio tangente ocupando una conexión de SO(2, 1) y luego las holonomías en la teoría de Chern-Simons equivalente ocupando una conexión de SO(2,2). Adicionalmente, se justifica la presencia de una fuente tipo delta de Dirac a partir de la existencia de holonomías no triviales en loops infinitesimales, dando una relación explícita entre estas. Por último, se exponen ideas no exploradas en este trabajo, que serán útiles para futuros trabajos.
Estudio de materiales de blindaje de radiación ionizante para medicina nuclear
(2018) Novoa Burgos, Harold; Dörner Yaksic, Edgardo Andrés; Pontificia Universidad Católica de Chile. Facultad de Física
Los rangos energéticos utilizados en medicina nuclear quedan fuera de las recomendaciones internacionales sobre la elección de materiales para blindar las instalaciones que operan con radiación ionizante. Se propone estudiar materiales comúnmente utilizados en construcción hospitalaria como blindajes para los isótopos 18F y 131I con el fin de ampliar las opciones que en la actualidad se utilizan, plomo y concreto común, para blindar las instalaciones de medicina nuclear. Utilizando simulaciones Monte Carlo con el programa EG Snrc se caracterizaron los materiales por su capacidad de blindar la radiación ionizante reflejado en el factor de atenuación para diferentes espesores de una selección de materiales e independientemente en un proceso experimental con alguno de ellos. Se graficaron los factores de atenuación de cada espesor utilizado para obtener un ajuste exponencial de ellos y con la ecuación de la curva ajustada conocer su coeficiente de atenuación lineal. Se encontró que el concreto dopado con bario tiene un bajo factor de transmisión (k),equivalente a ser un buen atenuador. Respecto a los materiales de construcción, los tabiques de yeso cartón no ofrecen un buen factor k, pero sobre ésta estructura pueden ser fijadas otras que son mejores, como acero inoxidable, acrílico e incluso placas safeboard que son comercializadas para blindar radiación ionizante con energías de hasta 140 kVp. Destaca que el yeso de Paris (POP) tiene un factor k comparable con el concreto NBS04, pero el POP es utilizado en odontología a diferencia del yeso de baja densidad que es de construcción.
Magneto-thermal evolution of neutron star cores in the “strong-coupling regime”
(2020) Moraga Vent, Nicolás Andrés; Reisenegger, Andreas; Pontificia Universidad Católica de Chile. Instituto de Física
In this thesis we study a young neutron star, with internal temperatures T >10^9 K, where the particles in the core are strongly coupled by collisional forces and can convert into each other by beta decays, in the so called ``strong-coupling regime``. At this stage, the magnetic field induces small fluid displacements, changing the local chemical composition and generating pressure gradient forces, which tend to be erased by beta decays. Depending on the strength of the chemical departure, this reactions can lead to a non-trivial thermal evolution as a consequence of the magnetic feedback. This mechanism converts magneticto thermal energy and could explain the high surface luminosity of magnetars (highly magnetize neutron stars). In this thesis, we present the first long-term magneto-thermal simulation of a neutron star core in this regime. We concluded that, for internal magnetic field strength field B > 10^16 G, the possibility of a magnetic feedback due to the chemical departure is not possible because it would occur when the ambipolar heating (friction between charged particles and neutrons) is more likely to heat the core.
Quantum sensing using NV centers in diamond
(2018) González Brouwer, Raúl, Manuel; Maze Ríos, Jerónimo; Pontificia Universidad Católica de Chile. Facultad de Física
This thesis is focused on understanding the interaction of nitrogen vacancy (NV) defect in diamond with its environment as well as its applications in nanotechnology and biophysics. First, we study the hyperfine interaction due to nearby 13C carbon and 15N nitrogen isotopes in the vicinity of the Level Anti-Crossing (LAC), we propose an experimental method at room temperature free of microwave, in which it is possible to find the sign of the Fermi contact term, using the coupling between nuclear spins 1/2 and electronic spin 1. For this, a three-dimensional coil system was constructed to study the fluorescence close to the LAC. Second we describe an experiment in order to use the NV center as a sensor for chemical reactions, in specific to measure the pH and relate it’s macroscopic measurement with experiments like Ramsey interferometry and change in the spectrum, in order to observe changes on the charge state and T2 . Finally, we show a way to functionalize a nanodiamond hosting a NV defect, and use it as a biomarker for amyloid β, an Alzheimer desease related compound. We show that using this functionalized nanodiamonds might enable the development of longer experiments in biophysics due to the photostability of the NV defect compared to regular biomarkers that are widely used in biology. This works paves the way for performing unltrasensitive and reliable detection of cells involved in the pathogenesis of the Alzheimer desease.
Quantum sensing using NV centers in diamond
(2018) González Brouwer, Raúl, Manuel; Maze Ríos, Jerónimo; Pontificia Universidad Católica de Chile. Facultad de Física
This thesis is focused on understanding the interaction of nitrogen vacancy (NV) defect in diamond with its environment as well as its applications in nanotechnology and biophysics. First, we study the hyperfine interaction due to nearby 13C carbon and 15N nitrogen isotopes in the vicinity of the Level Anti-Crossing (LAC), we propose an experimental method at room temperature free of microwave, in which it is possible to find the sign of the Fermi contact term, using the coupling between nuclear spins 1/2 and electronic spin 1. For this, a three-dimensional coil system was constructed to study the fluorescence close to the LAC. Second we describe an experiment in order to use the NV center as a sensor for chemical reactions, in specific to measure the pH and relate it’s macroscopic measurement with experiments like Ramsey interferometry and change in the spectrum, in order to observe changes on the charge state and T∗2 . Finally, we show a way to functionalize a nanodiamond hosting a NV defect, and use it as a biomarker for amyloid β, an Alzheimer desease related compound. We show that using this functionalized nanodiamonds might enable the development of longer experiments in biophysics due to the photostability of the NV defect compared to regular biomarkers that are widely used in biology. This works paves the way for performing unltrasensitive and reliable detection of cells involved in the pathogenesis of the Alzheimer desease.This thesis is focused on understanding the interaction of nitrogen vacancy (NV) defect in diamond with its environment as well as its applications in nanotechnology and biophysics. First, we study the hyperfine interaction due to nearby 13C carbon and 15N nitrogen isotopes in the vicinity of the Level Anti-Crossing (LAC), we propose an experimental method at room temperature free of microwave, in which it is possible to find the sign of the Fermi contact term, using the coupling between nuclear spins 1/2 and electronic spin 1. For this, a three-dimensional coil system was constructed to study the fluorescence close to the LAC. Second we describe an experiment in order to use the NV center as a sensor for chemical reactions, in specific to measure the pH and relate it’s macroscopic measurement with experiments like Ramsey interferometry and change in the spectrum, in order to observe changes on the charge state and T∗2 . Finally, we show a way to functionalize a nanodiamond hosting a NV defect, and use it as a biomarker for amyloid β, an Alzheimer desease related compound. We show that using this functionalized nanodiamonds might enable the development of longer experiments in biophysics due to the photostability of the NV defect compared to regular biomarkers that are widely used in biology. This works paves the way for performing unltrasensitive and reliable detection of cells involved in the pathogenesis of the Alzheimer desease.
Simulation of oxygen and hypoxia PET-tracer distributions in 3D vascular architectures of tumours
(2018) Isabela Paredes Cisneros; Karger, Christian; Gago Arias, Araceli; Pontificia Universidad Católica de Chile. Facultad de Física
The outcome of radiotherapy is strongly influenced by hypoxia (low level of oxygenin the tumour), which leads to increased radioresistance and poor outcome. Positron Emission Tomography (PET) can be used to identify hypoxic regions within tumours. Hypoxia-specific tracers have been developed for this purpose. Deriving the tumour oxygen distribution from a hypoxia PET-tracer distribution is still not straightforward and computer simulations may help to better understand the limitations of this technique. In this thesis, hypoxia PET-tracer distributions were simulated in three dimensions by using mathematical models to calculate the spatiotemporal distributions of both oxygen and tracer in the tumour. The impact of necrosis in the tracer uptake was also considered. The partial differential equations in the model were solved, using the Finite Element Method for different vascular architectures. The correct functioning of the solving method was checked for simple architectures by changing parameter values and analysing the obtained distributions. Time-Activity Curves were calculated from the simulated concentrations and the impact of the vascular fraction was determined, for vascular architectures of different complexity. This study improves the understanding of the signal in hypoxia-PET studies. Future work should take into account even more complex vascular architectures, as well as acute hypoxia.
Thermodynamics of graviton condensate and the Kiselev black hole
(2020) Mancilla Pérez, Robinson Humberto; Alfaro Solís, Jorge Luis; Pontificia Universidad Católica de Chile. Instituto de Física
In this thesis, we will present the thermodynamic study of a model that considers the black hole as a condensation of gravitons (55) (56). We will obtain a correction to the Hawking temperature and a negative pressure for a black hole of mass M. In this way, the graviton condensate, which is assumed to be at the critical point defined by the condition µch=0, will have well-defined thermodynamic quantities P, V , Th, S, and U as any other Bose-Einstein condensate. We will also discuss the Kiselev black hole, which has the capacity to parametrize the most well-known spherically symmetric black holes. We will show that this is true, even at the thermodynamic level. Finally, we will present a new metric, which we will call the BEC-Kiselev black hole, that will allow us to extend the graviton condensate to the case of solutions with different types of the energy-momentum tensor.In this thesis, we will present the thermodynamic study of a model that considers the black hole as a condensation of gravitons (55) (56). We will obtain a correction to the Hawking temperature and a negative pressure for a black hole of mass M. In this way, the graviton condensate, which is assumed to be at the critical point defined by the condition µch=0, will have well-defined thermodynamic quantities P, V , Th, S, and U as any other Bose-Einstein condensate. We will also discuss the Kiselev black hole, which has the capacity to parametrize the most well-known spherically symmetric black holes. We will show that this is true, even at the thermodynamic level. Finally, we will present a new metric, which we will call the BEC-Kiselev black hole, that will allow us to extend the graviton condensate to the case of solutions with different types of the energy-momentum tensor.In this thesis, we will present the thermodynamic study of a model that considers the black hole as a condensation of gravitons (55) (56). We will obtain a correction to the Hawking temperature and a negative pressure for a black hole of mass M. In this way, the graviton condensate, which is assumed to be at the critical point defined by the condition µch=0, will have well-defined thermodynamic quantities P, V , Th, S, and U as any other Bose-Einstein condensate. We will also discuss the Kiselev black hole, which has the capacity to parametrize the most well-known spherically symmetric black holes. We will show that this is true, even at the thermodynamic level. Finally, we will present a new metric, which we will call the BEC-Kiselev black hole, that will allow us to extend the graviton condensate to the case of solutions with different types of the energy-momentum tensor.In this thesis, we will present the thermodynamic study of a model that considers the black hole as a condensation of gravitons (55) (56). We will obtain a correction to the Hawking temperature and a negative pressure for a black hole of mass M. In this way, the graviton condensate, which is assumed to be at the critical point defined by the condition µch=0, will have well-defined thermodynamic quantities P, V , Th, S, and U as any other Bose-Einstein condensate. We will also discuss the Kiselev black hole, which has the capacity to parametrize the most well-known spherically symmetric black holes. We will show that this is true, even at the thermodynamic level. 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Finally, we will present a new metric, which we will call the BEC-Kiselev black hole, that will allow us to extend the graviton condensate to the case of solutions with different types of the energy-momentum tensor.In this thesis, we will present the thermodynamic study of a model that considers the black hole as a condensation of gravitons (55) (56). We will obtain a correction to the Hawking temperature and a negative pressure for a black hole of mass M. In this way, the graviton condensate, which is assumed to be at the critical point defined by the condition µch=0, will have well-defined thermodynamic quantities P, V , Th, S, and U as any other Bose-Einstein condensate. We will also discuss the Kiselev black hole, which has the capacity to parametrize the most well-known spherically symmetric black holes. We will show that this is true, even at the thermodynamic level. 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