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Design of Epsilon-Near-Zero Multilayer Metamaterials for Ultrafast Nonlinear Optics Applications
No full textMetamaterials are artificially engineered nanostructured media designed to exhibit unique optical properties that are typically absent in conventional materials, such as negative refractive index, cloaking, and enhanced nonlinear optical response.
These extraordinary properties are not merely the result of the cumulative responses of their constituent materials but they are profoundly influenced by the geometry of their sub-wavelength features.
Consequently, careful engineering of the structure of a metamaterial allows for precise manipulation of its optical response.
This doctoral work focuses on the design, fabrication, and characterization of epsilon-near-zero (ENZ) multilayer metamaterials specifically for nonlinear optical applications, particularly the optical Kerr effect (OKE).
At the wavelength where their permittivity approaches zero, ENZ media have been demonstrated to exhibit significantly enhanced light-matter interactions characterized by "slow-light” effects and local field amplification, leading to pronounced nonlinear responses.
The thesis delves into the optimization of ENZ multilayers, which consist of periodically alternating metal-dielectric bilayers and are fabricated with magnetron sputtering depositions.
Employing predictive modeling methods, such as the effective medium approximation and matrix approaches, optimal design parameters are identified to maximize the nonlinear optical response and minimize losses by absorption and reflection.
A figure of merit (FOM) is also developed to assess the efficiency of the different designs for all-optical switching applications in transmittance.
Experimental validation of the nonlinear OKE response is conducted using the z-scan technique on the synthesized samples, demonstrating strong agreement with simulated predictions and establishing the FOM as a valuable quantitative tool for designing ENZ multilayers that achieve both low losses and substantial nonlinearities.
Additionally, femtosecond pump-probe spectroscopy is utilized to investigate the temporal dynamics of the nonlinear response, uncovering the ultrafast permittivity modulation capabilities in ENZ multilayers and the possibility to enhance this modulation by exploiting the ENZ regime.
The findings from this work thus confirm the promising potential of ENZ metamaterials for ultrafast nonlinear optical devices, including all-optical switches and reconfigurable photonic systems
Nonlinear optical characterization of hyperbolic metamaterials
Full text linkAbstract (ITA):
I metamateriali sono materiali artificiali nanostrutturati che mostrano proprietà ottiche peculiari non
presenti solitamente nella materia ordinaria (es. indice di rifrazione negativo, cloaking, enhancement delle
proprietà ottiche non lineari,…).
Queste proprietà non derivano solo dai materiali costituenti ma sono anche fortemente dipendenti dalla
geometria degli elementi “sub-wavelenght” che li compongono. Per questo motivo, ingegnerizzando
adeguatamente la struttura del materiale, è possibile manipolare anche la sua risposta.
Queste sono le ragioni del grande interesse suscitato da questo ambito di ricerca negli ultimi decenni.
Di particolare interesse sono i cosiddetti "metamateriali iperbolici" (Hyperbolic Metamaterials, HMs), mezzi
dall’elevata anisotropia progettati in modo da avere un elemento diagonale del tensore dielettrico di segno
opposto rispetto agli altri due, portando ad una speciale legge di dispersione iperbolica.
La forte anisotropia di questi materiali fa sì che la loro risposta ottica sia fortemente dipendente dallo stato
di polarizzazione e dall'angolo di incidenza del campo elettromagnetico interagente, con possibili
applicazioni in dispositivi di all-optical switching.
Una delle loro caratteristiche più interessanti è l’enhancement della risposta ottica non lineare di questi
materiali in una regione spettrale di permittività evanescente chiamata regione “epsilon near-zero”(ENZ).
Lo scopo di questa tesi è la sintesi e la caratterizzazione della risposta ottica lineare e non lineare nel visibile
di metamateriali iperbolici multistrato (Multilayer Hyperbolic Metamaterials, MHM).
I campioni, sintetizzati mediante magnetron sputtering depositions, sono costituiti da strati alternati
argento/allumina o argento/silice e la loro geometria è stata progettata per ottenere la loro lunghezza
d'onda ENZ nel visibile.
La caratterizzazione morfologica di questi campioni viene effettuata mediante microscopia a forza atomica
(AFM) e microscopia elettronica a scansione (SEM) e le proprietà ottiche lineari sono caratterizzate
mediante ellissometria.
Infine, le non linearità ottiche di tipo Kerr, che si manifestano in assorbimento non lineare e rifrazione non
lineare, vengono studiate e quantificate con la tecnica z-scan.
Queste misurazioni evidenziano una peculiare risposta non lineare negli MHM, non rintracciabile in quella
dei materiali costituenti.
In particolare, l'assorbimento e la rifrazione non lineari si osservano a intensità molto inferiori a quelle
richieste per l'insorgenza di non linearità ottiche in singoli film di Ag, o .
Inoltre, si osserva un enhancement dei parametri ottici non lineari nella regione ENZ del MHM argento-
allumina.
I risultati sperimentali di questa caratterizzazione non lineare vengono quindi confrontati con simulazioni
generate da un modello dedicato e si osserva un ottimo accordo tra simulazioni e dati sperimentali. Ciò
dimostra l'affidabilità del modello di simulazione nel prevedere la risposta non lineare di questi
metamateriali, aprendo la strada alla possibilità di progettare metamateriali con proprietà ottiche non
lineari su misura.
Abstract (ENG):
Metamaterials are artificial nanostructured materials displaying peculiar optical properties not usually
found in ordinary matter (e.g. negative refractive index, cloaking, enhanced nonlinear optical properties,…).
These properties are not deriving only from the constituent materials but are also strongly dependent on
the geometry of their sub-wavelength features. Thus, by properly engineering the structure of the material,
it is possible to manipulate also its response.
Such are the reasons behind the great interest sparked by this research topic in the last decades.
Of particular interest are the so called "hyperbolic metamaterials" (HMs), namely highly anisotropic media
designed to have one diagonal element of the dielectric tensor with opposite sign with respect to the other
two leading to a special hyperbolic dispersion law.
The strong anisotropy of these materials causes their optical response to be strongly dependent on the
polarization state and angle of incidence of the interacting electromagnetic field with possible applications
in all-optical switching devices.
One of their more interesting feature is the enhancement of the nonlinear optical response of these
materials in a spectral region of vanishing permittivity called epsilon near-zero (ENZ) region.
The aim of this thesis is the synthesis and characterization of the linear and nonlinear optical response in
the visible of multilayer hyperbolic metamaterials (MHMs). The samples, synthesised by magnetron
sputtering depositions, are made up of alternating silver/alumina or silver/silica layers and their geometry
was designed to obtain their ENZ wavelength in the visible.
The morphological characterization of these samples is carried out by atomic force microscopy (AFM) and
scanning electron microscopy (SEM) and the linear optical properties are characterized by spectroscopic
ellipsometry.
Finally, Kerr-type optical nonlinearities, manifesting themselves in nonlinear absorption and nonlinear
refraction, are studied and quantified with the z-scan technique.
These measurements highlight a peculiar nonlinear response in the MHMs, not traceable in that of the
constituent materials.
More specifically, nonlinear absorption and refraction are observed at intensities much lower than those
required for the onset of optical nonlinearities in single films of Ag, or .
Furthermore, an enhancement of the nonlinear optical parameters is observed in the ENZ range of the
silver-alumina MHM.
The experimental results of this nonlinear characterization are then compared with simulations generated
from a dedicated model, and an excellent agreement is observed between simulations and experimental
data. This proves the reliability of the simulation model in predicting the nonlinear response of these
metamaterials, paving the way to the possibility of designing metamaterials with tailored nonlinear optical
properties
Going Beyond Counting First Authors in Author Co-citation Analysis
Full text linkThe present study examines one of the fundamental aspects of author co-citation analysis (ACA) - the way co-citation
counts are defined. Co-citation counting provides the data on which all subsequent statistical analyses and mappings
are based, and we compare ACA results based on two different types of co-citation counting - the traditional type that
only counts the first one among a cited work's authors on the one hand and a non-traditional type that takes into
account the first 5 authors of a cited work on the other hand. Results indicate that the picture produced through this non-traditional author co-citation counting contains more coherent author groups and is therefore considerably clearer. However, this picture represents fewer specialties in the research field being studied than that produced through the traditional first-author co-citation counting when the same number of top-ranked authors is selected and analyzed. Reasons for these effects are discussed
Produzione e caratterizzazione di schiume bidimensionali
Full text linkUna schiuma acquosa è una dispersione concentrata di bolle gassose in una soluzione
liquida di acqua e particolari sostanze, dette surfattanti, che facilitano la formazione e la stabilizzazione della schiuma stessa.
Un parametro che caratterizza significativamente la struttura e il comportamento di una schiuma è la sua frazione di liquido, pari al rapporto tra volume di liquido e volume totale della schiuma. Al tendere a zero della frazione di liquido, le bolle assumono forma sempre più poliedrica e la schiuma in questione è detta "dry foam''.
Caratteristica ineluttabile delle schiume acquose, è l'instabilità. La loro evoluzione temporale volge irreversibilmente verso la diminuzione del numero totale di bolle e del volume della schiuma fino al loro totale collasso. Inoltre, l'elevato numero di interfacce liquido-gas in una schiuma fa sì che la luce venga riflessa e rifratta numerose volte nell'attraversare il sistema: sono quindi necessarie specifiche tecniche di visualizzazione per l'osservazione di sistemi tridimensionali, altrimenti opachi. Si possono però realizzare anche schiume bidimensionali. Queste risultano molto più stabili di quelle 3D e più facili da visualizzare. Questa rete di interfacce è anche responsabile di un gran numero di complesse proprietà. Ad essere sfruttate sono soprattutto le proprietà reologiche uniche delle schiume. Queste infatti, possono comportarsi come un solido elastico o plastico, ma anche come un liquido viscoso a seconda di come vengono manipolate.
Le proprietà fisiche di una schiuma dipendono in modo cruciale dalle caratteristiche della sua struttura. In passato si è sviluppato un gran numero di diverse tecniche di produzione per avere controllo su di esse. Nel caso in esame, l'interesse è lo studio del flusso di sistemi bidimensionali di schiume in canali microfluidici in presenza di ostacoli di dimensione comparabile a quella delle bolle. Per poter fare ciò, si è dovuta individuare una tecnica che permettesse di ottenere una schiuma sufficientemente stabile da supportare il flusso per tutta la durata delle misure e tale da avere: bolle di dimensione uniforme (altrimenti non sarebbe possibile la distribuzione della schiuma su un unico strato), frazione di liquido trascurabile (altrimenti la dinamica di scorrimento sarebbe sostanzialmente dominata dalla fase liquida), bolle di dimensione sulla scala del micrometro.
A tal fine si sono tentate due diverse tecniche, che hanno portato ad avvicinarsi sempre di più al risultato cercato, seppur con qualche aspetto ancora da chiarire. Il primo metodo, sfrutta due siringhe con le uscite connesse una contenente aria e l'altra la soluzione acquosa. Premendo alternatamente gli stantuffi si viene a creare una schiuma. Con il secondo metodo invece, si generano le singole bolle direttamente nella soluzione liquida immettendo aria, tramite un generatore di pressione costante, da un capillare di dimensioni micrometriche e realizzando così un gorgogliatore.
Lo scopo della presente tesi è descrivere tali metodi testati e analizzare i risultati ottenuti da ciascuno di essi al fine di individuarne le problematiche e progettare ulteriori possibili migliorie.
[An aqueous foam is a concentrated dispersion of gaseous bubbles in a solution
liquid water and special substances, called surfactants, which facilitate the formation and stabilization of the foam itself.
A parameter that significantly affects the structure and behavior of a foam is its liquid fraction, which is the ratio between the volume of liquid and the total volume of the foam. As the liquid fraction tends to zero, bubbles take on an increasingly polyhedral shape and the foam becomes a "dry foam".
An inevitable feature of aqueous foams is instability. Their ageing causes a decrease in the total number of bubbles and in the volume of foam until eventually the foam collapses completely.
Furthermore, the high number of liquid-gas interfaces in a foam causes the light to be reflected and refracted numerous times when crossing the system: specific visualization techniques are thus necessary for the observation of three-dimensional systems, otherwise opaque. However, there are also two-dimensional foams which are much more stable than 3D ones and easier to visualize. This network of interfaces is also responsible for a great number of complex properties. The most interesting are their unique rheological properties. As a matter of fact, foams can behave as both an elastic or plastic solid, but also as a viscous liquid depending on how they are handled.
The physical properties of a foam are strongly linked to their structure. In the past, many different production techniques have been developed to control them. In this case, the objective is the study of the flow of two-dimensional foam systems in microfluidic channels in the presence of obstacles of size comparable to that of bubbles. In order to do this, it was necessary to identify a technique that would allow to obtain a sufficiently stable foam to support the flow for the whole duration of the measurements. Such a foam would also need to have: bubbles of uniform size (otherwise it would not be possible to distribute the foam on a single layer), small liquid fraction (otherwise the flow dynamics would be substantially dominated by the liquid phase), bubbles size on the scale of the micrometer.
In order to obtain such a foam, two different techniques have been adopted, leading closer and closer to the result sought, though some aspects have yet to be clarified. The first method uses two syringes with their exits connected. One contains air and the other the aqueous solution. Pressing the plungers alternately creates a foam. With the second method, the individual bubbles are generated directly in the liquid solution by introducing air, via a constant pressure generator, from a capillary of micrometric dimensions.
The purpose of this thesis is to describe these tested methods and analyze the results obtained with each of them in order to identify the problems and plan further possible improvements.]ope
Variations on the Author
Full text link“Variations on the Author” discusses two of Eduardo Coutinho’s recent films (Um Dia na Vida, from 2010, and Últimas Conversas, posthumously released in 2015) and their contribution to the general question of documentary authorship. The director’s filmography is characterized by a consistent yet self-effacing form of authorial self-inscription: Coutinho often features as an interviewer that rather than express opinions propels discourses; an interviewer that is good at listening. This mode of self-inscription characterizes him as an author who is not expressive but who is nonetheless markedly present on the screen. In Um Dia na Vida, however, Coutinho is completely absent form the image, while Últimas Conversas, on the contrary, includes a confessional prologue that moves the director from the margins to the center of his films. This article examines the ways in which these works stand out in the filmography of a director who offers new insights into the notion of cinematic authorship
Appropriate Similarity Measures for Author Cocitation Analysis
Full text linkWe provide a number of new insights into the methodological discussion about author cocitation analysis. We first argue that the use of the Pearson correlation for measuring the similarity between authors’ cocitation profiles is not very satisfactory. We then discuss what kind of similarity measures may be used as an alternative to the Pearson correlation. We consider three similarity measures in particular. One is the well-known cosine. The other two similarity measures have not been used before in the bibliometric literature. Finally, we show by means of an example that our findings have a high practical relevance.information science;Pearson correlation;cosine;similarity measure;author cocitation analysis
Produzione e caratterizzazione di schiume bidimensionali
Full text linkUna schiuma acquosa è una dispersione concentrata di bolle gassose in una soluzione
liquida di acqua e particolari sostanze, dette surfattanti, che facilitano la formazione e la stabilizzazione della schiuma stessa.
Un parametro che caratterizza significativamente la struttura e il comportamento di una schiuma è la sua frazione di liquido, pari al rapporto tra volume di liquido e volume totale della schiuma. Al tendere a zero della frazione di liquido, le bolle assumono forma sempre più poliedrica e la schiuma in questione è detta "dry foam''.
Caratteristica ineluttabile delle schiume acquose, è l'instabilità. La loro evoluzione temporale volge irreversibilmente verso la diminuzione del numero totale di bolle e del volume della schiuma fino al loro totale collasso. Inoltre, l'elevato numero di interfacce liquido-gas in una schiuma fa sì che la luce venga riflessa e rifratta numerose volte nell'attraversare il sistema: sono quindi necessarie specifiche tecniche di visualizzazione per l'osservazione di sistemi tridimensionali, altrimenti opachi. Si possono però realizzare anche schiume bidimensionali. Queste risultano molto più stabili di quelle 3D e più facili da visualizzare. Questa rete di interfacce è anche responsabile di un gran numero di complesse proprietà. Ad essere sfruttate sono soprattutto le proprietà reologiche uniche delle schiume. Queste infatti, possono comportarsi come un solido elastico o plastico, ma anche come un liquido viscoso a seconda di come vengono manipolate.
Le proprietà fisiche di una schiuma dipendono in modo cruciale dalle caratteristiche della sua struttura. In passato si è sviluppato un gran numero di diverse tecniche di produzione per avere controllo su di esse. Nel caso in esame, l'interesse è lo studio del flusso di sistemi bidimensionali di schiume in canali microfluidici in presenza di ostacoli di dimensione comparabile a quella delle bolle. Per poter fare ciò, si è dovuta individuare una tecnica che permettesse di ottenere una schiuma sufficientemente stabile da supportare il flusso per tutta la durata delle misure e tale da avere: bolle di dimensione uniforme (altrimenti non sarebbe possibile la distribuzione della schiuma su un unico strato), frazione di liquido trascurabile (altrimenti la dinamica di scorrimento sarebbe sostanzialmente dominata dalla fase liquida), bolle di dimensione sulla scala del micrometro.
A tal fine si sono tentate due diverse tecniche, che hanno portato ad avvicinarsi sempre di più al risultato cercato, seppur con qualche aspetto ancora da chiarire. Il primo metodo, sfrutta due siringhe con le uscite connesse una contenente aria e l'altra la soluzione acquosa. Premendo alternatamente gli stantuffi si viene a creare una schiuma. Con il secondo metodo invece, si generano le singole bolle direttamente nella soluzione liquida immettendo aria, tramite un generatore di pressione costante, da un capillare di dimensioni micrometriche e realizzando così un gorgogliatore.
Lo scopo della presente tesi è descrivere tali metodi testati e analizzare i risultati ottenuti da ciascuno di essi al fine di individuarne le problematiche e progettare ulteriori possibili migliorie.
[An aqueous foam is a concentrated dispersion of gaseous bubbles in a solution
liquid water and special substances, called surfactants, which facilitate the formation and stabilization of the foam itself.
A parameter that significantly affects the structure and behavior of a foam is its liquid fraction, which is the ratio between the volume of liquid and the total volume of the foam. As the liquid fraction tends to zero, bubbles take on an increasingly polyhedral shape and the foam becomes a "dry foam".
An inevitable feature of aqueous foams is instability. Their ageing causes a decrease in the total number of bubbles and in the volume of foam until eventually the foam collapses completely.
Furthermore, the high number of liquid-gas interfaces in a foam causes the light to be reflected and refracted numerous times when crossing the system: specific visualization techniques are thus necessary for the observation of three-dimensional systems, otherwise opaque. However, there are also two-dimensional foams which are much more stable than 3D ones and easier to visualize. This network of interfaces is also responsible for a great number of complex properties. The most interesting are their unique rheological properties. As a matter of fact, foams can behave as both an elastic or plastic solid, but also as a viscous liquid depending on how they are handled.
The physical properties of a foam are strongly linked to their structure. In the past, many different production techniques have been developed to control them. In this case, the objective is the study of the flow of two-dimensional foam systems in microfluidic channels in the presence of obstacles of size comparable to that of bubbles. In order to do this, it was necessary to identify a technique that would allow to obtain a sufficiently stable foam to support the flow for the whole duration of the measurements. Such a foam would also need to have: bubbles of uniform size (otherwise it would not be possible to distribute the foam on a single layer), small liquid fraction (otherwise the flow dynamics would be substantially dominated by the liquid phase), bubbles size on the scale of the micrometer.
In order to obtain such a foam, two different techniques have been adopted, leading closer and closer to the result sought, though some aspects have yet to be clarified. The first method uses two syringes with their exits connected. One contains air and the other the aqueous solution. Pressing the plungers alternately creates a foam. With the second method, the individual bubbles are generated directly in the liquid solution by introducing air, via a constant pressure generator, from a capillary of micrometric dimensions.
The purpose of this thesis is to describe these tested methods and analyze the results obtained with each of them in order to identify the problems and plan further possible improvements.
Dispelling the Myths Behind First-author Citation Counts
Full text linkWe conducted a full-scale evaluative citation analysis study of scholars in the XML research field to explore just how different from each other author rankings resulting from different citation counting methods actually are, and to demonstrate the capability of emerging data and tools on the Web in supporting more realistic citation counting methods. Our results contest some common arguments for the continued
use of first-author citation counts in the evaluation of scholars, such as high correlations between author rankings by first-author citation counts and other citation
counting methods, and high costs of using more realistic citation counting methods that are not well-supported by the ISI databases. It is argued that increasingly available digital full text research papers make it possible for citation analysis studies to go beyond what the ISI databases have directly supported and to employ more
sophisticated methods
- …
