Instituto de Física


General Information

  1. Seminários do Departamento de Física dos Sólidos – Itamar Borges Jr. (IME – Dept. de Química)

    26/09/2023

    The Substituent Effect in Chemistry and Machine Learning: Applications to Organic Photovoltaics and Energetic Materials

    Itamar Borges Jr.
    (IME – Dept. de Química)

    Resumo:

    The substituent effect – the modification of the electronic properties of molecules by changing groups of atoms – is ubiquitous in Chemistry and Materials Science. Machine learning (ML) techniques, a set of statistical methods that take advantage of recent developments in hardware and larger volumes of more accurate data, have become a handy tool for basic research. Combining these two approaches can reveal unknown phenomena and new physical insights. In this talk, we present Hammett’s theory, which quantifies via numerical constants, the electron-donor or -withdrawal power of substituents. We discuss a new comprehensive and systematic set of Hammett’s constants for general use determined with ML [1]. Afterward, we examine diketopyrrolopyrrole (DPP) molecules with one or two substituents, which can be used as a fine-tuned donor material in organic electronic devices. Several photovoltaic properties, including power conversion efficiencies in bulk heterojunctions, exciton binding energies and intramolecular charge transfer effects, are discussed in the framework of Hammett’s theory [2]. Finally, we examine the molecular origin of the impact sensitivity of an energetic material, which was rationalized with ML. In particular, we found that a positive or negative contribution of the molecular properties to the sensitivity depends on the value of this property [3]. Finally, we discuss some implications of combining quantum chemistry with ML and mention other research carried out by our group.

    References:
    [1] – MONTEIRO-DE-CASTRO, GABRIEL ; DUARTE, JULIO CESAR ; BORGES, ITAMAR . Machine Learning Determination of New Hammett’s Constants for meta- and para- Substituted Benzoic Acids Derivatives Employing Quantum Chemical Atomic Charge Methods. JOURNAL OF ORGANIC CHEMISTRY (JOC), 2023, 88, 9802.

    Also featured in Chemistry World (Royal Society of Chemistry), July 31, 2023 “86-old Hammett equation gets a machine learning upgrade”, https://www.chemistryworld.com/news/86-year-old-hammett-equation-gets-a-machine-learning-update/4017798.article

    86-year old Hammett equation gets a machine learning update
    Algorithm opens the door to improved understanding of aromatic substituent effects
    www.chemistryworld.com

    [2] – MONTEIRO-DE-CASTRO, GABRIEL; BORGES, ITAMAR. A Hammett’s analysis of the substituent effect in functionalized diketopyrrolopyrrole (DPP) systems: Optoelectronic properties and intramolecular charge transfer effects. JOURNAL OF COMPUTATIONAL CHEMISTRY (JCC) 2023, 44, 2656 – 2273.

    [3] – DUARTE, JÚLIO CESAR ; ROCHA, ROMULO DIAS DA ; BORGES JR, ITAMAR . Which molecular properties determine the impact sensitivity of an explosive? A machine learning quantitative investigation of nitroaromatic explosives. PHYSICAL CHEMISTRY CHEMICAL PHYSICS (PCCP) 2023, 25, 6877

     

    Departamento de Física dos Sólidos
    Instituto de Física UFRJ

  2. Seminário PPGMFA – Prof. Luca Moriconi (IF-UFRJ)

    20/09/2023

    Modelo estocástico para as transições entre os estados coerentes de um escoamento turbulento em tubos

    Prof. Luca Moriconi (IF-UFRJ)

    Escoamentos em tubos turbulentos exibem estados organizacionais (EOs) que são rotulados por modos discretos de número de onda azimutal e lembram as soluções de ondas viajantes encontradas em regimes de baixo número de Reynolds. A evolução temporal discretizada dos EOs, obtida através de velocimetria por imageamento estereoscópico de partículas, demonstra ser não-Markoviana quando a aquisição de dados é realizada a uma taxa de amostragem resolvida na escala das estruturas coerentes de parede, como estrias de baixa velocidade. Em particular, as funções de correlação temporal adequadamente definidas para as transições dos EOs decaem como leis de potência intrigantes, até um horizonte temporal dos turbilhões de grandes escalas, após o qual elas decaem sob taxas muito mais rápidas de decaimento. Somos capazes de estabelecer, com base em uma descrição probabilística da criação e aniquilação de estrias de baixa velocidade (“microestados”), um modelo Markoviano subjacente para as transições dos EOs, que reproduz seu comportamento temporal correlacionado com precisão significativa. Essas descobertas indicam que os EOs estão distribuídos ao longo do tubo como pacotes estatisticamente correlacionados de estruturas vorticais quase paralelas ao escoamento principal.

     

    TITULAÇÃO E FILIAÇÃO INSTITUCIONAL:

    • Bacharelado em Física (PUC-Rio)

    • Mestrado em Física (PUC-Rio)

    • Doutorado em Física (PUC-Rio)

    • Pós-doutorado na Universidade de Princeton e no Instituto de Física – UFRJ

    • Professor do IF-UFRJ

     

    AVISO: Palestrantes convidados têm total independência em seus comentários. Suas opiniões não refletem, necessariamente, a posição ou visão do Programa de Pós-graduação Multidisciplinar em Física Aplicada ou do Instituto de Física da UFRJ.

     

  3. Seminários do Departamento de Física dos Sólidos – Victor Carozo (PUC-Rio)

    19/09/2023

    Synthesis and optical properties of two-dimensional materials

    Victor Carozo
    (PUC-Rio)

    Resumo:

    Two-dimensional materials have recently emerged as a captivating class of new crystals, offering exceptional properties and immense potential for diverse technological applications. This study delves into the synthesis and optical analysis of these materials, with a specific emphasis on the application of Raman spectroscopy and second harmonic generation (SHG) to elucidate their unique optical attributes.

    The synthesis of two-dimensional materials, encompassing transition metal dichalcogenides (TMDs), and other layered materials, constitutes a central aspect of this investigation. The controlled fabrication of high-quality two-dimensional layers is pivotal for harnessing their inherent optical characteristics, employing methods such as chemical vapor deposition (CVD) and vapor phase deposition (VPD) to tailor their composition and structure.

    Raman spectroscopy emerges as an invaluable tool for the comprehensive characterization of two-dimensional materials, enabling insights into layer thickness, defects, strain, and interlayer interactions. Additionally, it facilitates non-destructive examinations of their electronic and lattice properties, facilitating precise material identification and quality assessment. Furthermore, the study explores the second harmonic generation (SHG) properties of two-dimensional materials, shedding light on their structural asymmetry, electronic band structures, and potential applications in nonlinear optics and optoelectronics.

    This seminar highlights the increasing importance of two-dimensional materials in the field of physics and materials science. It underscores the roles played by Raman spectroscopy and SHG in advancing our comprehension of the synthesis and optical characteristics of these materials. These insights provide a solid foundation for the development of devices and applications centered on two-dimensional materials, paving the way for new opportunities in technological advancement.

     

    Departamento de Física dos Sólidos
    Instituto de Física UFRJ

  4. Seminário PPGMFA – Prof. Bruno Mota (IF-UFRJ)

    30/08/2023

    Auto-organização e complexidade emergente:
    Como construir um ser vivo sem um manual de instruções

    Prof. Bruno Mota (IF-UFRJ)

    Um corpo humano é composto de cerca de 1028 átomos. Porém, de todas as quase incontáveis maneiras de organizar tais átomos no tempo e no espaço, só um número ínfimo corresponde a uma pessoa ambulante e falante. Estas raras configurações possuem uma peculiar característica que chamamos vida: capazes de se adaptar ativamente a um ambiente variável e ocasionalmente hostil; de persistir por um longo tempo em desequilíbrio térmico e químico com o seu ambiente; e de, em cooperação com seus pares, produzir cópias aproximadas de si mesmas dotadas destas mesmas características. Os mecanismos e estruturas que promovem a adaptabilidade, persistência e fecundidade de seres vivos são complexos, mas isto não implica que organismos são produzidos átomo a átomo seguindo instruções detalhadas: tal procedimento seria ao mesmo tempo ineficiente e pouco robusto. O mais próximo que existe de um manual de instruções para um organismo é a sua sequência de DNA, que pode ser transcrita em menos bits do que o arquivo armazenando um episódio de TV típico. Dentro desta transcrição, os bits que diferenciam entre os genomas de todos os seres humanos que já viveram ocupariam menos memória que uma foto de celular. Estas claramente não são instruções detalhadas! São, ao contrário, instruções para iniciar, controlar e corrigir um processo de auto-organização, que concatena mecanismos locais relativamente simples, para espontaneamente produzir estruturas cada vez maiores e mais complexas. Células se dividem e diferenciam, sem saber ou se importar com algum plano maior além das suas circunstâncias imediatas, e inexoravelmente formam tecidos e redes. Redes para distribuir nutrientes e eliminar resíduos, e redes para monitorar e atuar sobre o ambiente à sua volta.

    Nesta palestra, pretendo mostrar que esta complexidade emergente e auto-organizada, que surge espontaneamente a partir de primeiros princípios simples, é uma característica essencial de seres vivos. Vou apresentar alguns exemplos (reais e em modelos) de mecanismos de auto-organização, e discutir algumas das implicações da filosofia de design implícita em tais processos, que é fundamentalmente diferente daquela que tipicamente usamos para criar artefatos humanos. De forma mais geral, entender quando e como ordem e complexidade surgem espontaneamente, em seres vivos, sociedades humanas ou em humildes pilhas de areia, é um dos grandes desafios da ciência atual.

     

    TITULAÇÃO E FILIAÇÃO INSTITUCIONAL:

    • Bacharelado em Física (UFMG)

    • Mestrado em Física (UFMG)

    • Doutorado em Física (CBPF)

    • Pós-doutorado no Instituto de Física – UFRJ

    • Professor do IF-UFRJ

     

    AVISO: Palestrantes convidados têm total independência em seus comentários. Suas opiniões não refletem, necessariamente, a posição ou visão do Programa de Pós-graduação Multidisciplinar em Física Aplicada ou do Instituto de Física da UFRJ.

     

  5. Seminários do Departamento de Física dos Sólidos – Ramon Cardias (IF-UFF)

    29/08/2023

    Spin-lattice dynamics:
    fundamentals and method

    Ramon Cardias
    (IF-UFF)

    Resumo:

    Spin-lattice dynamics represents a critical frontier in the study of magnetic materials, merging the intricate interactions of atomic vibrations (phonons) with electron spin waves (magnons). This computational approach delves into the mutual interplay between these two fundamental entities, elucidating phenomena such as magnon-phonon coupling. As magnetics evolve in realms like spintronics and high-density storage, a comprehensive understanding of spin-lattice interactions becomes imperative. Through spin-lattice dynamics, we gain insights into how thermal effects influence magnetic properties and unveil the underpinnings of spin-lattice relaxation processes. This presentation will shed light on the foundational concepts of spin-lattice dynamics, its computational developments, and its pivotal role in the next generation of magnetic materials research.

     

    Departamento de Física dos Sólidos
    Instituto de Física UFRJ

  6. Seminários do Departamento de Física dos Sólidos – Prof. Pedro Pereira (IF-UERJ)

    15/08/2023

    Bound states in the continuum:
    the (un)known state with innovative applications

    Prof. Pedro Pereira
    (IF-UERJ)

    Resumo:

    Usually, in introductory quantum mechanics courses, we use the finite quantum well to study the possible quantum states, namely, bound states within the quantum well, and extended and resonant states in the continuum. In addition to these states, the bound state in the continuum is one less explored in introductory courses, even though it was proposed at the beginning of quantum mechanics. In 1929, von Neumann and Wigner noted that certain infinite periodic potentials gave rise to states with localized wavefunction embedded in the continuum. These periodic potentials are not found in nature, making the bound state in the continuum just a “toy model” of the Schrödinger equation at that time.

    The advancement of epitaxial growth techniques of semiconductor heterostructures allowed such periodic potentials to be fabricated in the laboratory. The bound state in the continuum was observed in 1992 in semiconductor superlattices, and was fundamental for the progress of the quantum cascade laser. Although the bound state in the continuum has been proposed in quantum systems, it is a universal feature of wave systems (acoustic, aquatic, optical, and photonic). In particular, they are of great interest for creating optical cavities with infinite quality factor.

    The laboratory of semiconductors and optoelectronic devices (LSDopto) has been exploring these states for the development of infrared photodetectors with characteristics not obtained with traditional quantum well-infrared photodetectors. In this talk, I will present the fundamental concepts of bound states in the continuum in semiconductor superlattices, and, in particular, how they are being used in the development of innovative photodetectors by our group.

    Departamento de Física dos Sólidos
    Instituto de Física UFRJ

  7. Seminários do Departamento de Física dos Sólidos – Dr. Davi Chaves (DF/UFSCar)

    11/07/2023

    Magnetic fields as a tool to control superconducting devices

    Dr. Davi Chaves
    (DF/UFSCar)

    Resumo:

    Superconductors are at the forefront of an ongoing technological revolution. The emergence of novel computing schemes working at cryogenic temperatures has urged the development of new superconducting devices. Our research aims to explore the interaction between applied magnetic fields and superconducting thin films to provide avenues to control important features of such devices. A common thread in our works is to employ magneto-optical imaging (MOI) to visualize the local distribution of magnetic flux in the studied materials in real-time. In this presentation, I will discuss some of our recent results: (i) I will demonstrate how cooling under inhomogeneous magnetic fields may increase superconducting critical currents without requiring any nanostructuring process; (ii) We studied the effects of a single nanometric-deep weak-link on the superconducting and normal states’ properties of a prototypical niobium film; (iii) A quantitative MOI study allowed us to reveal how magnetic fields can be used to modify the expected weak-link behavior to that of a strong-link, drastically increasing the critical current density at particular fields. This is a tunable phenomenon that may have an immediate impact on superconducting devices; (iv) We have investigated the interaction of an applied magnetic field with a superconducting film presenting a nanoscale thickness gradient, revealing how the induced critical current modulation impacts the device’s response; (v) Lastly, I will introduce a magnetic field-assisted protocol that enables access to several memory states of nanobridge SQUIDs and demonstrate how these devices may work as superconducting multilevel memory elements.

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  8. Seminários do Departamento de Física dos Sólidos – Elvis Soares (EQ-UFRJ)

    04/07/2023

    Classical Density Functional Theory

    Elvis Soares
    (EQ-UFRJ)

    Resumo:

    Classical Density Functional Theory (DFT) has emerged as an indispensable theoretical tool, providing a robust framework to elucidate the microscopic structure of classical many-body systems. In this presentation, I will discuss my recent research in cDFT applied to confined fluids and electrolyte solutions. The initial part of the presentation will spotlight cDFT as a potent computational methodology capable of determining the properties of a many-body system under the influence of external potentials and crowded conditions. This approach has profound implications for our understanding of the behavior of confined fluids and electrolyte solutions. We will explore how the microscopic structure calculated from cDFT can be used to predict macroscopic properties, even within complex 3D geometries. Subsequently, we will explore the application of cDFT in characterizing the dynamical behavior of many-body particle systems under the influence of external potentials. Thereby, it will provide insights into a broad spectrum of physical phenomena. We will conclude with a brief discussion on the challenges we face in cDFT and the future directions we intend to pursue.

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  9. Seminário PPGMFA – Profa. Gabriela Andrea de Castro Pérez (IFRJ)

    07/06/2023

    Técnicas físicas aplicadas à catálise heterogênea

    Profa. Gabriela Andrea de Castro Pérez (IFRJ)

    As reações químicas que envolvem catálise heterogênea ocorrem na interface entre um catalisador sólido e um meio reacional em fase fluida. As propriedades da superfície, a estrutura e a composição química são determinantes para o desempenho do catalisador nessas reações, objetivando sempre controlar a atividade, seletividade e estabilidade. Nesta apresentação mostramos os princípios físicos envolvidos e resultado de alguns estudos de sistemas catalíticos heterogêneos por espectroscopia de fotoelétrons (XPS) e por difração de raios-X (DRX) in situ.

     

    TITULAÇÃO E FILIAÇÃO INSTITUCIONAL:

    • Bacharelado em Física (UFRJ)

    • Mestrado em Física (CBPF)

    • Doutorado em Engenharia Química (COPPE-UFRJ)

    • Professora do IFRJ

     

    AVISO: Palestrantes convidados têm total independência em seus comentários. Suas opiniões não refletem, necessariamente, a posição ou visão do Programa de Pós-graduação Multidisciplinar em Física Aplicada ou do Instituto de Física da UFRJ.

     

  10. Seminários do Departamento de Física dos Sólidos – Graziâni Candiotto

    06/06/2023

    Vibrational Properties of Infinite and Finite Linear Carbon Chains

    Graziâni Candiotto
    (IF-UFRJ)

    Resumo:

    Linear carbon chains (LCCs) are a truly 1D sp-hybridized allotrope of carbon. These structures show unique mechanical, optical, and electronic properties that can be modified by altering the number of carbon atoms as well as the type of terminal groups. Due to its properties and versality, the LCCs are a promise in the next-generation electronic devices, such as molecular wires, and optical and energy storage devices. Despite its formidable properties, LCCs are extremely unstable and reactive at ambient conditions due the unsaturated bonds. Until recently, the longest polyyne synthesized and stabilized contained 44 carbon atoms. Carbon nanotubes (CNTs) and multiwall CNTs (MWCNTs) have the interesting capability of encapsulating different species, this feature allowed to use these structures as nanoreactor to synthesize long and stable LCCs at ambient conditions with > 6000 atoms as obtained by Shi et al. [1]. Since then, LCCs encapsulated MWCNT (LCC@MWCNT) have been the best alternative to study the properties of these materials. Recently, Sharma et al. [2] using Raman spectroscopy showed that LCC@MWCNT under hydrostatic pressure exhibit a reversible softening in polyynes vibrational mode associated with linear redshift, behavior in disagreement with the frequency hardening already reported for RBM, G- and 2D bands in sp2 materials. In this work we use ab initio calculation to study of the behavior of the vibrational properties of infinite and finite LCCs under pressure, which is still an open question and little explored in the literature.
    [1] L. Shi et al., Nature Materials15, 634 (2016).
    [2] K. Sharma et al., Phys. Rev. Lett.125, 105501 (2020).

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