Tribunal:
     PRESIDENT: RUPRECHT, VERENA
     SECRETARI: LOZA ALVAREZ, PABLO
     VOCAL: FLAMES BONILLA, NURIA
Resum de tesi: A Caenorhabditis elegans, l'embrió es desenvolupa dins la a protecció d'una closca, blindat de les interaccions directes amb el món exterior. En aquest entorn aïllat, els circuits neuronals mecanosensorials, responsables de traduir forces físiques en senyals bioquímic, són dels primers a aparèixer durant el desenvolupament. A més de coordinar la comunicació de l’organisme amb el món mecànic extern, el sentit del tacte és fonamental per a la vinculació social i la plasticitat sinàptica.A C. elegans, les neurones responsables del sentit del tacte s’originen molt aviat durant l’embriogènesi, molt abans d'estar exposades al contacte físic, fet que planteja la pregunta: quan desperta el sistema nerviós al món mecànic que encara no ha experimentat?Desentranyar l'inici de la mecanosensibilitat té implicacions crítiques per a la neurociència i la salut humana, ja que la seva desregulació està vinculada a diverses malalties i trastorns del neurodesenvolupament. Per exemple, els estudis sobre models de ratolí del trastorn de l'espectre autista (TEA) han demostrat que el moment en què es produeixen alteracions en la mecanocepció durant l’embriogènesi té un paper clau en la gravetat de la condició. Tot i la seva importància, la nostra comprensió sobre quan emergeix la mecanosensibilitat continua sent limitada, en gran part a causa dels desafiaments pràctics que suposa estudiar com les forces mecàniques modelen els sistemes neuronals en desenvolupament.Per abordar aquests desafiaments, l'objectiu d'aquest projecte ha estat desenvolupar una plataforma experimental multifuncional que integri l'estimulació mecànica de precisió amb la imatge volumètrica en temps real, permetent la investigació dels senyals de calci induïts en el sistema neuronal en desenvolupament dels embrions de C. elegans. L’element central d’aquesta plataforma és un microscopi de fluorescència de fulla de llum de disseny obert, optimitzat per a una adquisició ràpida i tridimensional de la dinàmica del calci. La unitat d'imatge està integrada amb un nanoindentador basat en fibra òptica, que proporciona una precisa aplicació de força i una caracterització quantitativa de les propietats mecàniques de la mostra. Aquesta combinació permet una estimulació mecànica controlada mentre es registra l’activitat neuronal en temps real, facilitant l'anàlisi de com i quan les forces externes influeixen en els circuits mecanosensorials durant etapes crítiques del desenvolupament.Utilitzant aquesta plataforma, vam dur a terme experiments de prova de concepte per explorar les respostes mecanosensorials en embrions de C. elegans. Aquests estudis van validar la capacitat del sistema per desencadenar i enregistrar amb precisió l'activitat neuronal. Els resultats preliminars suggereixen que la funcionalitat mecanosensorial podria començar a emergir durant les etapes tardanes de l’embriogènesi, oferint una primera visió sobre el moment en què es desenvolupen els circuits sensorials.

Tribunal:
     PRESIDENT: FAUSTI, DANIELE
     SECRETARI: VAN HULST, NIEK
     VOCAL: SCHICK, DANIEL
Resum de tesi: Els materials fortament correlacionats han sorgit com una de les àrees de recerca més actives en la Física de la Matèria Condensada. L’interès en aquests materials sorgeix principalment de la flexibilitat de les seves propietats, oferint la possibilitat d’adaptar aquests materials per a aplicacions específiques. Això es deu, al seu torn, a la rica interacció entre els graus de llibertat electrònics, orbitals i de xarxa. Tanmateix, aquest acoblament complex entre els diferents graus de llibertat fa que els materials fortament correlacionats siguin difícils d'entendre.L’espectroscòpia ultraràpida ofereix la possibilitat de resoldre aquest coll d’ampolla i proporcionar una visió més profunda d’aspectes crucials dels materials correlacionats per millorar la nostra comprensió d’aquests. Un d’aquests aspectes és la transició de fase fotoinduïda, on la llum provoca un canvi de simetria en un material. Fins ara, la recerca s’ha centrat a utilitzar la llum per forçar els materials a travessar una única transició estructural. En aquest treball, investiguem la possibilitat de realitzar múltiples salts de fase amb un sol pols de llum. Un sistema adequat per a aquest estudi és el manganit Pr0.5Ca1.5Mn04, que malgrat el seu potencial, segueix estant poc explorat. Aquest manganit en capes exhibeix múltiples transicions de fase d’origen electrònic, orbital i estructural en funció de la temperatura. La presència de més d’una transició de fase en el Pr0.5Ca1.5Mn04 ens permet examinar la possibilitat i el mecanisme de la transició de fase múltiple, un aspecte de la transició de fase fotoinduïda que fins ara no ha rebut molta atenció. La física dels manganits està fortament dictada per la dinàmica dels fonons de Jahn-Teller, que es produeixen a una freqüència molt alta (>15 THz). Per tant, els estudis que impliquen aquests fonons requereixen configuracions amb una resolució temporal molt alta.Aquesta tesi primer discuteix la construcció d'un nou sistema que fa ús de polsos de pocs cicles des de la regió visible fins a la del infraroig proper. Després, aprofitant les capacitats d'aquest sistema, realitzem mesures ultraràpides sobre Pr0.5Ca1.5Mn04 en dues parts: els règims de bombeig lineal i no lineal. En el règim lineal, realitzem mesures de baixa fluència de banda ampla per caracteritzar la mostra. A partir d'aquestes, identifiquem canvis estructurals i electrònics clau que es produeixen durant la via de transició tèrmica, la qual cosa ens permet mapejar la mostra en diferents regions de simetria, d'acord amb la literatura. En el règim de bombeig no lineal, estudiem la dependència dels canvis identificats en el règim lineal amb la fluència. Analitzant la resposta coherent de la xarxa, trobem indicis de transicions de fase simples i dobles.

Tribunal:
     PRESIDENT: HAUKE, PHILIPP HANS-JÜRGEN
     SECRETARI: ACÍN DAL MASCHIO, ANTONIO
     VOCAL: CERVERA LIERTA, ALBA
Resum de tesi: Aquesta és una tesi en física teòrica sobre simulacions quàntiques analògiques, simulacions quàntiques digitals (computació quàntica) i preparació d'estats quàntics utilitzant diferents plataformes quàntiques (àtoms neutres, ions atrapats i circuits superconductors). Vivim en una era quàntica amb una gran varietat de plataformes disponibles; tanmateix, dur a terme experiments en els dispositius quàntics actuals continua sent un desafiament a causa de les limitacions en el control, l’escalabilitat i la connectivitat. Per tant, cal desenvolupar estratègies innovadores per assolir un avantatge quàntic amb la tecnologia quàntica actual. Ens interessa principalment l’aplicació a la física d’altes energies, ja que la computació quàntica proporciona un marc natural per simular l’evolució en temps real de les teories de gauge. Tot i que el camp de les simulacions quàntiques i la computació quàntica encara és en la seva infantesa i pot estar lluny d’aportar coneixements rellevants sobre el Standard Model en règims inaccessibles per mètodes analítics, simulacions clàssiques o experiments directes, estan sorgint descobriments interessants. Entre els desenvolupaments significatius s’inclou l’observació d’estats "scar" i la reformulació de les teories de camps quàntics com a models d’enllaç quàntic.Gran part de la tesi està dedicada a les simulacions quàntiques de les teories de gauge en xarxa, que explorem des de diferents perspectives. Primer, proposem un esquema per generar de manera eficient interaccions de 3 cossos en plataformes d'ions atrapats, el qual consisteix en una generalització del mecanisme de Mølmer-Sørensen per a 3 spins. En aquest projecte, proposem la simulació quàntica del model d’enllaç quàntic de spin 1/2 que descriu el model de Schwinger sense massa, el qual presenta una interacció de 3 cossos. Aquesta interacció requereix almenys 12 portes quàntiques de 2-qubits, cosa que, en principi, acumula més errors que una única porta de 3 qubits. Això és el que fa que les simulacions quàntiques analògiques siguin tan poderoses: podem adaptar la plataforma per generar interaccions d’un model específic, reduint potencialment els errors quàntics.A continuació, assumint l'existència d'una porta de 3 cossos perfecta, estudiem els estats "scar" en el model de Schwinger. Utilitzem un mapeig del model d’enllaç quàntic de spin 1/2 de Schwinger al model PXP per identificar les configuracions físiques rellevants. Després, comparem l’evolució d’estats tèrmics i no tèrmics mitjançant circuits quàntics Trotteritzats seqüencials amb la seva evolució sota circuits quàntics aleatoris. Els nostres resultats indiquen que el sector no tèrmic de l’espai de Hilbert, que inclou els estats "scar" quàntics de molts cossos, és més sensible a l’aleatorització.Després, en una nota més realista, utilitzem dispositius quàntics reals d’IBMQ per realitzar simulacions quàntiques digitals del model de Schwinger. Aquests ordinadors quàntics es basen en circuits superconductors i actualment tenim accés a fins a 156 qubits, juntament amb una base de portes de 1 i 2 qubits. Els dispositius imposen fortes limitacions en la connectivitat i la profunditat dels circuits quàntics, per la qual cosa proposem l’ús de la invariància de gauge, en la forma de la llei de Gauss, per a la detecció d’errors quàntics.En la darrera part d’aquesta tesi, canviem el focus per estudiar un comportament de molts cossos interessant que emergeix de la presència d’un camp de gauge estàtic. Proposem un protocol per a la preparació de l'estat Laughlin 1/2, un estat de Hall quàntic fraccionari, utilitzant àtoms ultrafreds en rotació per crear camps de gauge artificials. En la transició de la fase de condensat a l'estat de Laughlin hi ha 3 punts amb gaps tancats, i fem la trampa anisòtropa per travessar aquestes regions sense perdre fidelitat. Hem millorat els temps de preparació en un factor de 10 en comparació amb estudis anteriors.

Tribunal:
     PRESIDENT: SONG, JUSTIN CHIEN WEN
     SECRETARI: RUBIO VERDÚ, CARMEN
     VOCAL: BASCONES FERNANDEZ DE VELASCO, MARÍA ELENA
Resum de tesi: Des del descubriment del grafè, els materials bidimensionals (2D) han acaparat una atenció significativa de la comunitat de física de la matèria condensada pel seu potencial de controlar noves propietats físiques, òptiques i mecàniques. La clase de materials 2D ara inclou aïllants (nitrur de bor hexagonal, hBN), semiconductors (metalls de transició dicalcogenoides, TMDs), superconductors (NbSe2), aïllants topològics (Bi2Te3), i ferroimans (CrI3). Més enllà de les seves propietats inherents, els materials a capes també permeten noves característiques a través de la seva construcció vertical. Els desenvolupaments recents han portat al descubriment dels materials moiré, on les propietats electròniques es veuen significativament alterades per la rotació de les capes 2D adjacents.El descubriment de la superconductivitat en el grafè rotat d’angle màgic (MATBG) va marcar un hite en la física de moiré, iniciant un camp de ràpid creixement. Semblant-se als diagrames de fase d’altres superconductors d’alta-Tc, el MATBG serveix com a una plataforma per explorar estats fortament correlacionats altament ajustables. En l’angle de rotació d’ 1.1°, “l’angle màgic”, el MATBG mostra un aplanament de les bandes significatiu aprop del seus punts de Dirac, reduint la velocitat de Fermi i fent l’energia cinètica més petita que les interaccións repulsives de Coulomb. Això resulta no només en superconductivitat, sinó també en varies fases emergents dominades per la física de múltiples cossos, incloent-hi aïllants correlacionats, magnetisme orbital, ordres nemàtics, i estats topològics. Els materials moiré, amb grans cel·les de super-xarxes, faciliten l’exploració de fenòmens de fortes correlacions a baixes densitats de portadors. Els elèctrodes de les portes locals permeten l’ajust capacitiu entre estats de forta correlació in situ, una característica única no disponible en altres superconductors d’alta-Tc. Avenços en les tècniques d’escombratge ara permeten als investigadors determinar propietats locals en escales sub-nanomètriques. La microscòpia d’escombrament de camp proper de tipus dispersió (s-SNOM) està particularment preparada per a explorar MATBG, donat que pot mesurar el senyal de dispersió i fotovoltatge en escales nanomètriques al mateix temps que permet l’estudi mesoscòpic del transport electrònic.Utilitzant el mètode innovador de nanoscòpia criogènica de camp-proper, realitzarem medicions s-SNOM a temperatures criogèniques (fins a 8 K) per evaluar la respota òptica i de fotovoltage en camp-proper. Aquest enfoc utilitzarà energies en el rang de l’infrarroig-mitjà (MIR) i els teraherzs (THz), que s’alineen amb les anticipades transicions òptiques de les estructures de bandes d’aquests materials. El principal objectiu d’aquesta tesis es determinar els coeficients òptics i termoelèctrics pertinents en materials moiré, evaluar l’impacte de les inhomogeneitats a través de mesures de fotovoltatge de camp-proper ajustant el voltatge de la porta, visualitzar fenòmens de correlacions i estats amb ruptures de simetria, i comprendre la naturalesa del retràs de la senyal de les mesures. Aquesta disertació busca subratllar els avenços crucials en fases quàntiques, nano-optoelectrònica quàntica, i termoelectricitat, mentres també dóna suport a l’interès en preguntes sense resoldre com les característiques dels estats correlacionats de baixes temperatures. Addicionalment, busca subratllar els objectius futurs dels pròxims experiments en camp proper i llunyà.

Tribunal:
     PRESIDENT: MAZZERA, MARGHERITA
     SECRETARI: CHANG, DARRICK
     VOCAL: WARBURTON, RICHARD
Resum de tesi: Malgrat dècades de recerca, la computació quàntica pràctica i la comunicació quàntica a llarga distància segueixen estant fora del nostre abast a causa dels grans reptes de les plataformes actuals. Els ions individuals de terres rares (SREI) en estat sòlid són una alternativa prometedora, amb el potencial de formar nodes de computació quàntica amb uns 100 qubits altament connectats i amb capacitat d'interconnexió fotònica. Les nanopartícules són ideals per a aquest sistema, ja que permeten altes concentracions d'ions que reforcen les interaccions sense comprometre la distingibilitat espectral.Els experiments amb SREI es beneficien de les cavitats òptiques, que milloren l'emissió gràcies a l'efecte Purcell. La cavitat de fibra Fabry–Perot d'accés obert, formada per un micromirall a la punta d'una fibra i un mirall pla o de fibra, és especialment versàtil: permet integrar una àmplia varietat d'emissors en la superfície del mirall, ofereix un fàcil accés òptic a través de la fibra i es pot ajustar tridimensionalment. Aquesta flexibilitat ha permès l'estudi de diversos emissors quàntics i materials bidimensionals.Aquesta tesi presenta el treball que hem realitzat per desenvolupar la plataforma SREI utilitzant nanopartícules en cavitats de fibra. Comença amb una introducció a la computació quàntica, la comunicació quàntica amb repetidors quàntics i els ions de terres rares com a base per a ordinadors quàntics, juntament amb una descripció del nostre disseny experimental. A continuació, es cobreixen els fonaments teòrics, incloent-hi les cavitats òptiques, l'efecte Purcell, les equacions de Bloch òptiques i les estadístiques de la llum d'un sol fotó.La manca de nanoposicionadors comercials adequats per controlar la nostra cavitat de fibra ens va portar a dissenyar-ne un de propi. Aquest posicionador va permetre la primera detecció d'ions individuals en nanopartícules. En estudiar la transició ⁴I15/2 → ⁴I13/2 a 1535 nm en nanopartícules de Y₂O₃ de 150 nm de diàmetre dopades amb 20 ppm d'erbi, vam identificar un ió amb una exceŀlent estabilitat espectral, un ample de línia de 3.8(3) MHz, i un g(2)(0) compatible amb un emissor individual perfecte.Després, vam desenvolupar un segon posicionador, significativament millorat, amb una estabilitat RMS de 2.5 pm, un rang d'escaneig XY de 130 µm × 130 µm, i una modulació de cavitat en el rang de MHz, tot això a 1.65 K en un criòstat de cicle tancat. El gran potencial de les cavitats de fibra augmenta l'impacte d'aquest dispositiu, convertint-lo en una de les principals contribucions d’aquesta tesi.Amb aquest posicionador millorat, vam realitzar un nou experiment per detectar interaccions entre ions individuals. Vam estudiar la transició ³H₄ → ¹1D₂ a 619 nm en dos conjunts de nanopartícules de Y₂O₃ dopades amb praseodimi, però no vam poder observar cap emissió en la cavitat. Per diagnosticar el problema, vam dur a terme experiments addicionals amb un microscopi confocal, que va confirmar la presència de praseodimi en la majoria d'objectes i va trobar la ressonància d'absorció a prop de la freqüència esperada.El capítol final presenta les conclusions i línies de recerca futures, incloent-hi la modulació de l'emissió i una nova tècnica de microscòpia. Una última reflexió sobre aquest treball i els avenços recents en el camp preveu un futur prometedor per a les tecnologies d'informació quàntica.

Tribunal:
     PRESIDENT: NOVOTNY, LUKAS
     SECRETARI: EBRAHIM-ZADEH, MAJID
     VOCAL: ODOM, TERI
Resum de tesi: Aquesta tesi investiga les interaccions llum-matèria dins de nanocavitats plasmòniques, utilitzant entorns òptics ultra-confinats per observar i controlar la dinàmica molecular a escala nanomètrica. Les cavitats plasmòniques, formades per nanopartícules metàl·liques en estreta proximitat amb pel·lícules metàl·liques, generen camps òptics altament localitzats dins de buits nanomètrics. Aquest confinament intens permet que les molècules situades en aquests buits interactuïn fortament amb la llum a temperatura ambient, produint estats híbrids que combinen característiques tant de fotons com de molècules, un fenomen conegut com a acoblament fort. Enfocant la llum en aquests petits volums, aquestes cavitats constitueixen una plataforma per explorar els règims d’acoblament fort i dèbil.Per explorar aquestes interaccions, es van desenvolupar una sèrie de muntatges experimentals que van permetre mesurar simultàniament la dispersió de Rayleigh i Raman des de nanocavitats individuals i van introduir nous mètodes per rastrejar la dinàmica dels polaritons amb polsos femtosegon. En condicions d’acoblament fort, les cavitats plasmòniques de nanopartícula sobre mirall combinades amb molècules de Blau de Metilè van demostrar estats híbrids llum-matèria. Mitjançant mesures quantitatives extensives, aquest estudi va identificar els paràmetres clau que impulsen l’acoblament fort i el va distingir dels mecanismes subjacents a la Dispersió Raman Millorada per Superfície (SERS), oferint així una nova comprensió de les interaccions llum-molècula. L’estudi també aprofundeix en fenòmens dinàmics com la difusió espectral, observada en sistemes moleculars hoste-convidat dins de nanocavitats plasmòniques, revelant desplaçaments espectrals dependents del temps que aporten llum sobre el comportament molecular en camps confinats.El control d’aquestes interaccions a escala nanomètrica es va aconseguir ajustant la ressonància de la cavitat mitjançant variacions de l’índex de refracció i polsos òptics femtosegon, permetent desplaçaments dirigits de la ressonància plasmònica. A més, l’ús de polsos femtosegon va permetre investigar les dinàmiques de desintegració en sistemes fortament acoblats, avançant els mètodes de control òptic dels polaritons i capturant evolucions espectrals prèviament no observades en estats híbrids llum-matèria.Finalment, es va emprar una tècnica interferomètrica de llum blanca de banda ampla per mesurar directament la fase espectral dels polaritons, revelant desplaçaments de fase en els estats híbrids llum-matèria i contribuint a la comprensió de les dinàmiques de fase en sistemes plasmònics fortament acoblats.Combinant els temes de comprensió i control, aquesta tesi ofereix una visió holística de les interaccions llum-matèria a escala nanomètrica, establint les bases per a futurs avenços en nanocavitats plasmòniques i les seves possibles aplicacions en àrees com la detecció química i l’espectroscòpia a escala nanomètrica.

Tribunal:
     PRESIDENT: ALONSO GONZÁLEZ, PABLO
     SECRETARI: PRUNERI, VALERIO
     VOCAL: CALDWELL, JOSHUA
Resum de tesi: La regió espectral de l’infraroig mitjà té un gran potencial per a aplicacions en la captació d’energia i la recuperació de calor residual, el refredament radiatiu, l’espectroscòpia, la detecció, el camuflatge tèrmic i la visió nocturna, entre d’altres. Els enfocaments convencionals per controlar la radiació en l’infraroig mitjà amb metamaterials i metasuperfícies sovint depenen de mètodes de fabricació intricats. Els components comercials per a la fotònica en l’infraroig mitjà es basen en materials que en limiten l’escalabilitat i l’accessibilitat. En aquesta tesi, explorem com les heteroestructures de materials de van der Waals (vdW), amb propietats òptiques intrínsecament anisòtropes i gruixos molt inferiors a la longitud d’ona, permeten una manipulació sense precedents de l’emissió tèrmica en termes de direccionalitat, polarització i quiralitat.En primer lloc, presentem un mètode senzill de camp llunyà per extreure la funció dielèctrica complexa de làmines exfoliades microscòpiques, facilitant una caracterització precisa de materials polars altament dispersius sense necessitat d’instrumentació sofisticada de camp proper. Demostrem com làmines ultra primes de α-MoO₃ poden funcionar com a retardadors de fase profundament sublongitud d’ona en l’infraroig mitjà, que permet un control eficient de la polarització en regions espectrals inaccessibles als components òptics convencionals de volum. A més, mostrem que simplement torçant dues làmines anisòtropes es pot enginyar una quiralitat intrínseca en l’infraroig mitjà, produint dicroisme circular tant en absorció com en emissió tèrmica, transformant així la radiació de cos negre, inherentment incoherent, en emissió circularment polaritzada.Finalment, desenvolupem estructures basades en separadors dielèctrics anisòtrops en configuracions de pantalles Salisbury, que permeten un control simultani dels angles azimutals i zenitals de la radiació tèrmica emesa. Mitjançant anàlisis analítiques i numèriques, derivem principis de disseny clars que validem amb materials realistes. Els resultats presentats estableixen els materials vdW i les seves heteroestructures com a plataformes versàtils per a aplicacions fotòniques avançades en l’infraroig mitjà, millorant significativament la nostra capacitat per adaptar amb precisió la radiació tèrmica a una àmplia gamma d’aplicacions pràctiques.

Tribunal:
     PRESIDENT: SBALZARINI, IVO
     SECRETARI: GARCÍA PARAJO, MARÍA
     VOCAL: HÜMBELI, PATRICK
Resum de tesi: Entendre com funciona un sistema complex a partir dels seus components, com ara un virus envaint una cèl·lula o l'agregació de partícules en un líquid, és una qüestió primordial a l'estudi de la natura que proporciona grans beneficis a nivell biològic. Per resoldre-la és interessant observar el camí que recorren els components d'un sistema, perquè aquest conté informació valuosa que ens serveix per caracteritzar-los i comprendre com interaccionen entre ells. Els avenços de la darrera dècada en el camp de l'aprenentatge automàtic (machine learning) ofereixen una eina numèrica prometedora, ja que permeten l'extracció automàtica de característiques i relacions rellevants, alhora que prediuen el comportament del sistema.En aquesta tesi, ens enfoquem en l'anàlisi de trajectòries de partícules observades en sistemes complexos,abordant dos aspectes fonamentals: el comportament individual aleatori i, per tant, difícil de caracteritzar, com passa als pulmons, on en respirar inhalem aire i l'oxigen es difon cap als capil·lars dels alvèols; i el comportament que s’esdevé de les interaccions, desconegudes en alguns casos, com el d'una gran bandada d'ocells migrant en conjunt.En particular, considerem tres problemes:1) l'estimació precisa de paràmetres que caracteritzen la difusió anòmala observada en processos biològics,2) la identificació de paràmetres considerables per descriure processos estocàstics,i 3) l'extracció de la forma funcional de les múltiples forces presents a sistemes de partícules.Per tractar cadascun dels problemes, desenvolupem un model d'aprenentatge automàtic específic dissenyat per extreure informació significativa a partir de trajectòries, i ho avaluem rigorosament en una sèrie de sistemes simulats amb dinàmiques conegudes.El primer mètode, KISTEP, prediu propietats de difusió anòmala a cada pas de temps, per segments de la trajectòria i en el conjunt de trajectòries, cosa que permet una anàlisi detallada a cada nivell a partir de trajectòries individuals. Amb aquest mètode, hem participat en l'AnDi Challenge 2, una competició científica per comparar mètodes computacionals dedicats a caracteritzar trajectòries de Moviment Brownià (MB) fraccional que s'assemblen a fenòmens biològics observats en experiments com l'endocitosi cel·lular o la immobilització de proteïnes.El segon mètode, SPIVAE, ajuda a identificar la mínima representació de processos estocàstics gràcies al fet que és un model no supervisat, interpretable i generatiu. A més, és capaç de generar noves trajectòries que reprodueixen les característiques apreses del procés. L'anàlisi realitzada amb SPIVAE ha revelat els paràmetres esperats de l'MB, el MB fraccionari i el MB confinat, mentre que aquest ha après una combinació no lineal en el cas de l'MB escalat.El tercer mètode, FISGAE, utilitza una xarxa neuronal de grafs per inferir de manera no supervisada la forma funcional de les forces que actuen entre partícules. FISGAE ha après amb èxit les forces entre 21 partícules interactuant amb forces lineals no recíproques, mentre que a l'escenari més complex d'un gas de Lennard-Jones ha après bé la força a distàncies curtes.En conclusió, aquesta investigació proporciona mètodes per facilitar l'anàlisi de sistemes de partícules directament des de les seves trajectòries, fet que permet obtenir informació que altrament no estaria disponible. Els mètodes proposats tenen el potencial de beneficiar tant els investigadors experimentals com els teòrics, i fins i tot, els desenvolupadors d'intel·ligència artificial, en fer possible una comprensió més completa dels sistemes complexos. A més, els mètodes desenvolupats estan preparats per a futures millores, que es podrien aconseguir mitjançant la integració d'arquitectures més sofisticades, aplanant així el camí per a aplicacions encara més avançades i descobriments.

Tribunal:
     PRESIDENT: STIER, ANDREAS
     SECRETARI: VAN HULST, NIEK
     VOCAL: GERARDOT, BRIAN
Resum de tesi: En aquesta tesi investiguem la física dels excitons confinats a nivell quàntic en una unió PN definida electrostàticament. Aquesta unió PN es pot generar en una monocapa encapsulada de \MoSe{} al llarg de la vora de la porta superior d’un elèctrode que mostra un patró. L'aplicació d'un gradient de tensió entre les portes superior i inferior dóna lloc a la formació d'un gradient de camp elèctric al pla a la regió d'esgotament i forts gradients de dopatge a les regions dopades P i N de la unió PN. L'excitó experimenta una força atractiva dins del gradient del camp elèctric i la repulsió de les interaccions amb els portadors de càrrega. Els efectes combinats són prou forts per quantificar el nombre d'estats excitònics disponibles dins del potencial. En aquest treball mostrem mesures d'aquests excitons confinats al nivell quàntic en espectroscòpia de contrast de reflexió i de fotoluminescència. A més, demostrem com el confinament quàntic dona lloc a la divisió de l'estructura fina amb estats polaritzats linealment al llarg o perpendiculars a la vora de la porta superior. Els estats es poden ajustar gradualment entre la polarització lineal i circular mitjançant un camp magnètic fora del pla. La particularitat de la geometria de la nostra mostra, on la formació de la unió PN aïlla elèctricament la mostra de terra, ens permet investigar el model electroestàtic d'una unió PN foto-polaritzada, amb la tensió de polarització com a paràmetre d'ajust addicional del potencial de confinament. La tensió de polarització es modificat per la pròpia mesura i varia amb la ubicació de la mesura. Així demostrem com l'impacte combinat de la dissociació de l'excitó i el túnel de forat calent assistit per Auger modifica la tensió de polarització en una escala de temps de fins a $\qty{100}{\s}$. La tensió de polarització es pot controlar encara més mitjançant un segon làser, que permet ajustar l'energia dels estats quantificats en el rang de $\qty{15}{\meV}$.En última instància, aquestes troballes ens permeten simular la forma exacta del potencial de confinament i investigar com el camp elèctric en el pla modifica l'estructura interna de l'excitó, afectant la força, el temps de vida i la dissociació de l'excitó. Els resultats d'aquesta tesi il·lustren les possibilitats de dissenyar patrons personalitzats de potencials d'excitons per a tecnologies fotòniques i quàntiques.

Tribunal:
     PRESIDENT: ZEIHER, JOHANNES
     SECRETARI: DE RIEDMATTEN, HUGUES
     VOCAL: MALZ, DANIEL
Resum de tesi: Les plataformes d’àtoms freds s’han situat al centre de les tecnologies quàntiques com ara el processament d’informació, la simulació i la metrologia. La seva versatilitat i el seu alt grau de control les fan especialment potents. Un dels avenços clau en aquest camp ha estat la capacitat de capturar àtoms individuals mitjançant llum. Les trampes òptiques dipolars fora de ressonància —com les pinces òptiques i les xarxes òptiques (lattices)— permeten posicionar àtoms amb gran precisió en una varietat de geometries, des d’arranjaments bidimensionals senzills fins a estructures tridimensionals complexes.Un altre gran avantatge dels àtoms freds és la seva capacitat de mediar interaccions entre fotons, que de manera natural no interaccionen en l’espai lliure. Els conjunts d’àtoms freds actuen com un medi no lineal, possibilitant interaccions fortes fins i tot a nivell d’un sol fotó. Mitjançant l’acoblament col·lectiu entre àtoms i fotons i les excitacions als estats de Rydberg, es poden implementar portes fotòniques i generar estats no clàssics de la llum. Aquestes dues característiques —no linealitats òptiques fortes i posicionament atòmic precís— fan dels àtoms freds una plataforma capdavantera per a xarxes quàntiques, simulacions quàntiques i l’estudi de la interacció llum-matèria.Un fenomen comú tant en les tècniques de captura d’àtoms com en l’òptica no lineal quàntica és la dispersió de fotons, que pot ser desitjada o no. Fins fa poc, les teories simples de dispersió eren suficients per a la comunitat. No obstant això, el desenvolupament de plataformes atòmiques més sofisticades exigeix teories més matisades i elaborades per entendre la dispersió i les seves conseqüències en les aplicacions. Aquest és el tema principal de la tesi.En el context de la captura d’àtoms, en moltes situacions pràctiques els àtoms poden experimentar potencials dependents de l’estat intern. Aquesta discrepància dels potencials pot generar escalfament excessiu i una reducció de la dispersió elàstica de la llum, en comparació amb límits ben coneguts com els que es troben en trampes de “longitud d’ona màgica” o en ions atrapats. En la primera part de la tesi, desenvolupem un model per analitzar aquests efectes, que tenen implicacions importants en òptica quàntica o en la imatge d’àtoms.En la segona part de la tesi, investiguem la decoherència en les ones d’espín de Rydberg en presència de la dispersió de la llum, en el context de la Transparència Induïda Electromagnèticament (EIT) amb Rydberg. En aquest esquema, un fotó inicial s’emmagatzema com una superposició coherent i estesa entre àtoms. Aquest fotó pot modificar fortament la propagació dels fotons posteriors, produint grans no linealitats, però la dispersió d’aquests fotons pot revelar informació sobre la localització del primer fotó, provocant la descoherència de l’estat de superposició inicial. Aquest és un mechanisme que pot reduir la possibilitat de recuperar el primer fotó. En aquest treball, es detalla la naturalesa d’aquesta descoherència, i per primera vegada es té en compte de manera completa la naturalesa tridimensional del conjunt atòmic i la dispersió múltiple de la llum. Identifiquem règims en què la dispersió múltiple pot oferir una protecció addicional contra la descoherència, en contrast amb les teories simplificades anteriors.En conjunt, aquesta tesi aporta nous avenços en la comprensió de les interaccions microscòpiques entre àtoms i llum, i connecta aquesta física fonamental amb conseqüències rellevants en aplicacions del món real.

Tribunal:
     PRESIDENT: SCALARI, GIACOMO
     SECRETARI: VAN HULST, NIEK
     VOCAL: RESERBAT-PLANTEY, ANTOINE
Resum de tesi: L'objectiu d'aquesta tesi és sondar la resposta òptica infraroja del grafè de bicapa retorçada (TBG) mitjançant l'espectroscòpia infraroja de transformada de Fourier (FTIR). Primer, vaig utilitzar un FTIR comercial per mesurar el TBG en el rang d'infraroig mitjà a temperatura ambient. Vaig millorar la tècnica de fabricació del dispositiu i vaig fabricar els dispositius TBG amb una gran àrea i alhora una baixa deshomogeneïtat. Observo que el TBG té abundants característiques d'absorció òptica originades a partir de les transicions entre bandes que es determinen únicament per l'angle de gir.Aleshores, vull investigar la transició entre bandes del TBG que es troba en el rang de terahertzs, que evoluciona la banda plana del TBG que allotja efectes fortament correlacionats. Vaig construir un FTIR casolà que funciona tant en l'infraroig mitjà com en el rang de terahertz. Vaig connectar el criostat amb cura i vaig aconseguir un nivell de soroll elèctric que s'acostava al límit de soroll de Johnson. En guiar la llum del FITR al criostat, vaig mesurar amb èxit els estats d'excitons al dispositiu de grafè de bicapa Bernal en un ampli rang espectral, demostrant que el sistema està preparat per a futurs estudis experimentals de TBG.

Tribunal:
     PRESIDENT: CERULLO, GIULIO
     SECRETARI: LIGUORI, NICOLETTA
     VOCAL: PRINS, FERRY
Resum de tesi: L'augment de la demanda energètica global, juntament amb la necessitat de reduir les emissions de CO₂, destaca la urgència de desenvolupar solucions energètiques sostenibles. Tot i el seu enorme potencial, l'energia solar continua infrautilitzada a causa de diversos reptes tecnològics. La majoria de les tecnologies solars, incloent-hi la fotovoltaica (PV), l'energia solar concentrada i la fotosíntesi artificial, es basen en tres processos fonamentals: l'absorció de llum, la conversió d'energia i el transport d'energia. Comprendre com es converteix i es transmet la llum, principalment mitjançant la difusió d'excitons, en materials que van des de semiconductors fins a sistemes biomimètics i biològics, és essencial per millorar el rendiment tant dels dispositius optoelectrònics com de la fotosíntesi natural.Aquesta tesi examina com la dimensionalitat, els defectes i la geometria molecular afecten la difusió d'excitons, amb l'objectiu de revelar relacions estructura-funció que regeixen el transport energètic en materials aplicats a l'energia. Mitjançant tècniques avançades de microscòpia espaciotemporal, com la Microscòpia de Recompte de Fotons Únics Correlacionats en el Temps, la Microscòpia de Reflexió Transitòria i una tècnica innovadora desenvolupada pel meu grup, la Transferència d’Energia per Excitació Estructurada (StrEET), aquesta recerca estudia la difusió d'excitons en semiconductors orgànics, perovsquites 2D, dicalcogenurs de metalls de transició (TMDCs) i sistemes bioinspirats.Els resultats clau mostren que la dimensionalitat influeix de manera crítica en la mobilitat dels excitons. En pel·lícules orgàniques de Y6, un aceptor no-ful·lerè de referència en fotovoltaica orgànica, vaig dur a terme les primeres mesures directes de difusió d'excitons, evidenciant que el confinament n'incrementa la mobilitat; a més, el control morfològic mitjançant additius permet augmentar els coeficients de difusió en més d'un 50%. En perovsquites 2D, l’increment de gruix millora tant la difusió com l'anisotropia, amb longituds de difusió que superen àmpliament les dels sistemes orgànics convencionals.Els estudis amb TMDCs revelen que, més enllà de la dimensionalitat, els defectes i les interaccions amb el substrat també afecten significativament la mobilitat excitònica. En monocapes suspeses s'observen diversos règims de transport, difusió ràpida, negativa i lenta, tots limitats per estats trampa i sensibles a canvis estructurals i ambientals.Aquest treball també explora com l'empaquetament molecular i la geometria influeixen en el transport d'excitons en sistemes bioinspirats com pel·lícules de porfirines i xarxes bacterianes LH2. Gràcies a la tècnica StrEET, vaig realitzar les primeres mesures directes d’aquest tipus en sistemes fotosintètics, demostrant que un empaquetament més dens millora la difusió, tot i reduir la vida mitjana dels excitons; la longitud de difusió òptima, comparable a la dels millors semiconductors orgànics, resulta d'un equilibri entre aquests efectes oposats.En conjunt, aquesta recerca demostra que el transport excitònic es pot dissenyar ajustant propietats com la dimensionalitat, la densitat de defectes i l'organització molecular. Aquests resultats ofereixen directrius valuoses per al desenvolupament de tecnologies optoelectròniques i bioinspirades més eficients, contribuint a avançar cap a solucions energètiques sostenibles.

Tribunal:
     PRESIDENT: DOS SANTOS DUARTE VIEIRA HENRIQUES, RICARDO JOSÉ
     SECRETARI: DURDURAN, TURGUT
     VOCAL: ACCANTO, NICOLÒ
Resum de tesi: La microscòpia de bioluminescència representa una alternativa potent a la imatge per fluorescència, ja que elimina la necessitat d’il·luminació externa i, per tant, evita problemes com la fototoxicitat, el fotoblanqueig i l’autofluorescència de fons. Tanmateix, la baixa emissió de fotons inherent dels reporters basats en luciferasa limita significativament la relació senyal-soroll (SNR), així com la resolució espacial i temporal assolible —uns desafiaments especialment rellevants en la imatge biològica dinàmica o volumètrica.Aquesta tesi aborda aquestes limitacions mitjançant la introducció d’un sistema d’imatge impulsat per aprenentatge profund, dissenyat per millorar la microscòpia de bioluminescència tant en la fase d’adquisició de dades com en la de reconstrucció d’imatges.La nostra estratègia integra el disseny del sistema òptic amb xarxes neuronals avançades per permetre una imatge 3D ràpida i d’alta resolució en condicions de llum extremadament dèbil. Hem dissenyat un microscopi a mida amb un eix òptic altament compacte i l’hem combinat amb una càmera sensible a fotons únics, augmentant significativament la SNR de les imatges bioluminescents. Per aconseguir una imatge volumètrica ràpida, hem incorporat microscòpia de camp de llum (LFM) i microscòpia de camp de llum de Fourier (FLFM), que permeten l’adquisició 3D en una sola captura mentre milloren la resolució axial i lateral mitjançant el filtratge en el domini de Fourier.L’objectiu principal d’aquest treball és demostrar com l’aprenentatge profund pot millorar substancialment la microscòpia de bioluminescència, superant els límits tradicionals tant en imatge 2D com 3D. El nucli del nostre enfocament és un conjunt de xarxes neuronals convolucionals entrenades específicament amb dades bioluminescents. Utilitzant conjunts de dades sintètics i experimentals, hem dissenyat i entrenat models capaços d’extreure informació significativa a partir de dades brutes amb baixa SNR, recuperant detalls que d’altra manera es perdrien i oferint una comprensió més profunda de la mostra biològica.Els models desenvolupats en aquesta tesi cobreixen tasques clau com la reducció de soroll i la reconstrucció d’imatges de camp ampli, camp de llum i camp de llum de Fourier bioluminescents. Junts, formen un flux de treball modular i que es pot entrenar, el que eleva significativament el rendiment de la microscòpia de bioluminescència tant en qualitat com en velocitat.Aquí, hem validat el nostre sistema utilitzant mostres biològiques vives, incloent-hi Caenorhabditis elegans, cèl·lules mare de ratolí i embrions de peix zebra, capturant l’activitat neuronal i la dinàmica intracel·lular en escales de temps inferiors al segon. Posant l’aprenentatge profund al cor del procés d’imatge, aquest treball estableix un nou paradigma per a la microscòpia de bioluminescència, transformant una tècnica tradicionalment limitada per una baixa SNR en una eina robusta per a la imatge ràpida, d’alta resolució i de marcatge específic en organismes vius.

Tribunal:
     PRESIDENT: NAVASCUES COBO, MIGUEL
     SECRETARI: CHANG, DARRICK
     VOCAL: WRIGHT, VICTORIA JANE
Resum de tesi: La tesi discorre sobre un nombre de tècniques d’optimització que poden aplicar-se en el context de la teoria de la informació quàntica. Després d’una introducció pedagògica tant de la teoria de la informació quàntica com de l’optimització, té en compte tres línies principals de recerca. En primer lloc, una de prou coneguda, el problema obert i fonamental de les bases mútuament imparcials, que consisteix en trobar conjunts de bases ortonormals que siguin imparcials entre si. En concret, encara es desconeix si hom pot trobar un conjunt de 4 bases mútuament imparcials amb la dimensió 6. S’hi apliquen diverses tècniques d’optimització, entre les quals hi ha la programació semidefinida no lineal, l’optimització cíclica, les relaxacions en programació semidefinida, el mètode Branch and cut, mètodes de gradient descendent i el mètode dels multiplicadors de Lagrange, i cadascuna aprofundeix amb noves perspectives al problema. La segona línia és la de la no localitat de Bell, en particular amb la intenció de simplificar la jerarquia de la programació semidefinida que rep el nom de jerarquia d'NPA (Navascués-Pironio-Acín), que s’utilitzen per trobar fites als valors que maximitzen quànticament la violació de les desigualtats de Bell. Pel cas en què hi ha un gran nombre d'entrades per cada part, es demostra l’avantatge tant en memòria com en temps envers els solucionadors més avançats utilitzant una combinació de diverses tècniques d’optimització. La tercera línia és la de la física quàntica de molts cossos, que abraça un ampli ventall de temes. La tesi considera els problemes de fitar els valors esperats dels observables en els estats estacionaris de sistemes quàntics oberts, per trobar millors aplicacions de fermions a qubits i resoldre el problema de coloració de grafs mitjançant un nou algorisme d’optimització inspirat en qudits. En cada cas, es demostra un avantatge respecte a mètodes comparables.

Tribunal:
     PRESIDENT: GRANGIER, PHILIPPE
     SECRETARI: ACÍN DAL MASCHIO, ANTONIO
     VOCAL: BELEN SAINZ, ANA
Resum de tesi: Aquesta tesi té com a objectiu principal desenvolupar eines teòriques fiables per a certificar la preparació d’estats entrellaçats i altres correlacions quàntiques en sistemes de molts cossos a partir d’observables accessibles. En fer-ho, reconciliem diverses mesures de la teoria de la informació amb el laboratori construint criteris que es poden provar fàcilment en experiments actuals. Al llarg d’aquest treball, abordem la certificació d’un seguit de recursos relacionats amb l’entrellaçament quàntic que van des de la coherència fins a la nolocalitat de Bell. Un aspecte comú entre aquests recursos és la seva convexitat, és a dir, el fet que el contingut útil no es pot produir ni amplificar mitjançant una simple barreja estadística d'estats diferents. Aquesta observació és també una propietat tècnica clau per a gairebé totes les nostres contribucions. Aquí, ens centrem en aquells sistemes de molts cossos que són més fàcils d'explorar mitjançant observables invariants sota permutacions o col·lectius, com ara les col·lectivitats d'espins o els condensats de Bose-Einstein amb espín. En aquest sentit, es poden aprofitar les simetries dels observables per construir criteris d’entrellaçament amb una complexitat més favorable. El contingut útil d’un sistema físic es certifica a partir de les estadístiques que produeix. Dins del formalisme quàntic, aquestes estadístiques es codifiquen en la matriu densitat, que es pot reconstruir a partir de la informació finita obtinguda de les mesures experimentals disponibles. Comencem la tesi exposant un protocol pràctic assistit per aprenentatge automàtic per millorar i reduir el soroll en la inferència d’aquestes estadístiques en escenaris realistes. Posteriorment, discutim la certificació de l’entrellaçament útil per a la metrologia introduint un algoritme senzill per avaluar la mínima informació quàntica de Fisher compatible amb un conjunt de valors mitjans arbitrari. El nostre enfocament permet millorar sistemàticament alguns criteris d'entrellaçament àmpliament utilitzats i revelar el potencial de detecció dels estats de molts cossos amb requeriments experimentals mínims.A continuació, abordem la detecció de l’entrellaçament a partir de les mitjanes i incerteses d’observables col·lectius formulant una condició única que comprova diverses condicions, inclosos les proposades en el passat. Apliquem el nostre enfocament per a descobrir nous criteris d’entrellaçament adaptats als condensats de Bose-Einstein i basats en les poblacions dels subnivells de Zeeman. També discutim, fins a cert punt, la detecció del nombre de Schmidt, la mesura central de l’entrellaçament bipartit, utilitzant observables similars. Després, abordem el problema invers de detectar estats separables a partir de tècniques matemàtiques basades en mapes positius invertibles.L'última part de la tesi està dedicada a la nolocalitat de Bell, una de les formes més fortes de noclàssicitat més enllà de l'entrellaçament quàntic. Primer escalem els testimonis de dimensió de Bell, és a dir, criteris la violació dels quals indica la impossibilitat d’explicar les estadístiques inferides amb un espai de Hilbert d’una dimensió local determinada, al règim de molts cossos. En particular, proposem que la profunditat de la violació d’una desigualtat de Bell es pot utilitzar per certificar de manera robusta el nombre de qutrits en un sistema. Tanquem la tesi presentant un enfocament basat en dades per detectar no-localitat de Bell a partir de correlacions d’espins d’una partícula i de dos partícules promitjats sobre totes les permutacions de lees partícules. Aquesta metodologia ens permet descobrir desigualtats de Bell més robustes violades per estats de molts cossos amb interès físic.

Tribunal:
     PRESIDENT: DIAMANTI, ELENI
     SECRETARI: PRUNERI, VALERIO
     VOCAL: BROWN, PETER
Resum de tesi: En aquesta Tesi, observarem diverses tecnologies així com tècni-ques rellevants per al desenvolupament de sistemes de comunicació segurs basats en la Mecànica Quàntica. Aquest anàlisi teòric implica l'ús de diverses metodologies, les quals representen desafiaments formidables des d'una perspectiva purament analítica, així com des del punt de vista del càlcul numèric. Els continguts d'aquest manuscrit estan dividits segons la naturalesa particular de cadascuna de les tecnologies sota escrutini.Per començar, realitzarem un estudi de la Distribució de Clau Quàntica basada en estats de variable contínua i mesures discretitzades. Aquesta indagació queda dividida en dos capítols. El primer consta d'una descripció detallada del nostre mètode, i també diversos resultats pel que fa a l'addició de tècniques de postselecció; un estudi de l'optimització en dimensions infinites, a més de derivacions en el règim finit sota seguretat col·lectiva. A la segona part, observarem com una discretització completa a les mesures proveeix no només seguretat completa contra tot adversari permès per la Mecànica Quàntica, sinó també un nou formalisme fonamentat en l'acumu-lació de l'entropia que permet l'anàlisi de les fluctuacions estadístiques que sorgeixen quan només es disposa d'una estadística finita.Aquest quòdlibet queda seguit per un estudi de la Generació Quàntica de Números Aleatoris d'acord amb una perspectiva semi-Independent de Dispositius, on els postulats assumits sobre els equips experimentals són limitats. La nostra discussió es basarà doncs en utilitzar una mesura caracteritzada i la imposició d'una cota al seu corresponent valor esperat. Això requereix una adaptació del conegut cas asimptòtic al règim finit per prevenir mancances emergents en termes de seguretat. Aquesta examinació queda completada amb una prova de seguretat contra atacs generals y diversos resultats en el règim finit.Com a colofó, aquesta Tesi acaba amb una avaluació de la Distribució de Clau Quàntica en xarxes grans basada en models del Ciberespai clàssic, la qual cosa proveeix indicacions sobre l'escalabilitat i les condicions òptimes per a les Comunicacions Quàntiques d'acord amb la densitat d'usuaris així com les seves connexions. En particular, aquesta indagació es basa principalment en sistemes de variable contínua, si bé un altre mètode fonamentat en variables discretes també queda afegit al model amb la finalitat de millorar-ne el rendiment.

Tribunal:
     PRESIDENT: ANTHOPOULOS, THOMAS
     SECRETARI: BURGUES CEBALLOS, IGNASI
     VOCAL: CHRISTODOULOU, SOTIRIOS
Resum de tesi: Les fonts de llum infrarroja d'ona curta (SWIR) son molt importants gràcies a la seva capacitat d'interacció amb la vibració dels enllaços moleculars i la seva capacitat de penetració en el materials amb una dispersió i una absorció de la llum baixa. Aquestes característiques les converteixen en unes candidates valuoses en múltiples aplicacions. Tanmateix, les fonts de llum SWIR tradicionals solen ser grans, ineficients, treballen a temperatures altes amb temps d'escalfament llargs, tenen capacitats d’atenuació limitada, vides útils bastant curtes i un cost elevat. Per tant, la demanda de fonts més eficients, compactes i econòmiques ha augmentat en els últims anys. Els punts quàntics en dispersió col·loidal (CQDs) es perfilen com a materials prometedors pel desenvolupament de fonts innovadores de llum SWIR gràcies al control precís de la longitud d'ona de la banda prohibida, l'elevat rendiment quàntic de fotoluminiscència (PLQY) i el baix cost de síntesis. Aquesta tesi explora l'ús de CQDs processats en solució per al desenvolupament d'emisors de llum SWIR d'alta eficiència i flexibles mitjançant un mètode de fabricació simple i econòmic. S'han desenvolupat emissors de llum SWIR amb una longitud d'ona de 1350nm utilitzant la tècnica Down-conversion (DC), en la qual CQDs de sulfur de plom (PbS) absorbeixen fotons d'alta energia i els reemeten amb una energia inferior. S'ha utilitzat una mescla binària formada per una matriu de QDs amb una banda prohibida gran i uns QDs amb una banda prohibida petita com a emissors, ja que s'ha reportat anteriorment una millora del valor de PLQY d'aquesta combinació. Inicialment s'han fabricat pel·lícules flexibles de DC sobre un substrat de PET utilitzant la tècnica de recobriment per centrifugació (spin coating) i el posterior intercanvi de lligand en estat sòlid, estudiant varis lligands: àcid 3-mercaptopropiònic (MPA), una combinació de iodur de zinc i MPA, i una combinació de iodur de 1-etil-3-metilimidazol i MPA. El millor rendiment es va obtenir utilitzant MPA com a lligand i es va comprovar que l'excitació selectiva dels QDs emissors resulta més eficient que l’excitació col·lectiva dels dos materials. Aquesta pel·lícula va produir una irradiància de 0.19 mW mm⁻². A pesar d'aquests resultats prometedors, el spin coating és una tècnica de fabricació ineficient, laboriosa i dificilment escalable. S'ha desenvolupat un mètode de fabricació alternatiu usant el polímer etilcelulosa (EC). Els QDs, funcionalitzats amb àcid oleic (OA), es mesclen amb el polímer per formar un compòsit QD-EC flexible. Aquest mètode proporciona una solució industrialment viable, redueix, per un factor 20, l'ús de QDs, disminuint-ne el malbaratament i requereix menys treball manual. A més a més, permet la producció de pel·lícules de diferents mides i formes. La màxima irradiància assolida per una pel·lícula DC amb QDs de PbS recoberts amb OA va ser de 0.18 mW mm⁻². Amb l'objectiu d'augmentar l'eficiència, s'ha emprat un intercanvi de lligand en fase líquida per millorar la passivació de la superfície i reduir el camins de recombinació no radiativa. Les pel·lícules DC formades amb QDs tractats amb 1-dodecantiol (DDT) van provar un augment de tres vegades la potència de sortida SWIR i una reducció de l'eficiència del 37% a una major potència d'excitació. La pel·lícula amb el millor rendiment, composta per una matriu de QDs tractat amb DDT i QDs recoberts amb OA com a emissors, va aconseguir una irradiància de 0.54 mW mm⁻². A més a més, aquests emissors van ser testats en condicions reals, demostrant exitosament la seva habilitat de penetrar a través del fum. En resum, s'han desenvolupat fonts de llum SWIR eficients i flexibles utilitzant un nou mètode de fabricació amb CQDs en solució econòmic i industrialment adaptable. Aquest treball contribueix en els esforços d'investigació conjunts per afrontar la creixent demanda d'emissors de llum SWIR, superant les limitacions de les fonts convencionals.

Tribunal:
     PRESIDENT: MORTENSEN, NIELS ASGER
     SECRETARI: BACHTOLD, ADRIAN
     VOCAL: MANJAVACAS ARÉVALO, ALEJANDRO
Resum de tesi: En aquesta tesi hem proporcionat una descripció teòrica de com els feixos d’electrons focalitzats interactuen amb excitacions de baixa energia i generen llum a escala nanomètrica, un tema d’enorme interès en el camp de la nanofotònica. A més, hem descrit la generació de llum mitjançant electrons en túnel i hem aplicat aquest fenomen a la detecció d’analits a partir dels canvis que produeixen en la intensitat emesa al camp llunyà. Concretament, mitjançant models detallats, hem investigat el comportament plasmònic en materials nanostructurats, les respostes fonòniques en cristalls polars i la generació de llum a través del túnel electrònic inelàstic. També hem calculat la distribució espectral de pèrdues d’energia experimentades per electrons ràpids en interactuar amb aquestes excitacions i hem obtingut espectres de pèrdua d’energia d’electrons amb resolució espacial per a diversos sistemes. A continuació resumim els resultats principals:Al Capítol 2, hem demostrat que la resposta plasmònica infraroja de dímeres de nanocubs d’òxid d’indi dopat amb fluor depèn de com es toquen els cubs: els contactes puntuals i de vora produeixen un mode dipolar de baixa energia que desapareix quan s’obre el buit, mentre que els contactes de cara mostren un desplaçament espectral suau. Les mesures d’espectroscòpia de pèrdua d’energia d’electrons i les simulacions confirmen aquest comportament dependent de la geometria, posant en dubte l’assumpció que tots els dímeres són idèntics. Aquests resultats aporten nous coneixements sobre plasmons de buit aplicables a sensors i a òptica no lineal.Al Capítol 3, l’estudi de nano-el·lipsoides de nitrur de bor hexagonal revela que els efectes no locals dominen els fonon‑polaritons de baixa energia quan la mida de la partícula baixa de unes poques desenes de nanòmetres. Un model atomístic que inclou interaccions dipol‑dipol de llarg abast explica tant els modes confinats a la superfície com els modes de tipus volum observats mitjançant microscòpia electrònica de transmissió d’escombratge amb espectroscòpia de pèrdua d’energia d’electrons monocromada, mentre que un model dielèctric local simple no capta el mode de superfície. També hem trobat que la mida finita i la polarització superficial remodelen l’espectre vibracional. Aquests resultats subratllen que qualsevol disseny realista de dispositius d’hBN al mig infraroig ha de tenir en compte la dispersió espacial a escala atòmica. La integració de microscòpia avançada, teoria atomística i modelatge computacional ofereix un full de ruta per estudiar excitacions vibracionals en materials polars de baixa dimensionalitat.Al Capítol 5, hem presentat un biosensor plasmònic autoil·luminat impulsat pel túnel electrònic. El dispositiu utilitza una unió de túnel metall‑aïllant‑metall coberta amb una metasuperfície de nanofils d’or, la qual millora la conversió d’electrons en llum mitjançant ressonància plasmònica. El sensor desenvolupat presenta emissió uniforme en grans àrees i alta sensibilitat per detectar pel·lícules fines de polímer i capes biomoleculars. Aquest treball proporciona una plataforma pràctica per al biosensing integrat sense necessitat de fonts d’il·luminació externes. A més, la fotodetecció amb resolució angular podria oferir una comprensió més profunda de l’estructura dels modes plasmònics, afavorint una selectivitat espectral i sensibilitat millorades.La interacció entre sondes electròniques, excitacions i generació de llum a escala nanomètrica obre nombroses oportunitats de recerca futura. Creiem que les aportacions i els mètodes presentats en aquesta tesi contribuiran significativament a explorar aquestes prometedores línies de treball.

Tribunal:
     PRESIDENT: VON KLITZING, WOLF DIETRICH CARL
     SECRETARI: DE RIEDMATTEN, HUGUES
     VOCAL: HUGBART, MATHILDE
Resum de tesi: Aquesta tesi estudia l’ús d’un sol àtom neutre de Rubidio 87 atrapat com a comptador de fotons. La detecció de salts quàntics (QJs), canvis abruptes entre estats atòmics observables per canvis de fluorescència, es fa servir per inferir l'arribada de fotons únics. A aquesta tècnica l‘anomenem fotodetecció per salts quàntics (QJPD).Aquesta tesi primer situa la QJPD en el context de la fotodetecció. Comparada amb detectors tradicionals, la tècnica QJPD té una menor velocitat i menor eficiència quàntica (QE), però resulta excepcional per ser intrínsecament de banda estreta i per tenir un fort rebuig de fotons fora de banda i molt baixos comptes foscos (DCs). Aquestes característiques fan que sigui interessant per a aplicacions que detecten senyals òptics febles en presència de llum de fons de banda ampla.Els mètodes experimentals consisteixen en carregar un àtom de Rb87 des d'un parany magneto-òptic (MOT) a un parany fora de ressonància (FORT) localitzada al centre de quatre lents ortogonals, co-focals i d'alta obertura numèrica. Aquestes lents creen la FORT, acoblen la llum de prova a l'àtom i recullen la fluorescència atòmica, que és usada per identificar l'estat atòmic. La seqüència de QJPD consisteix a atrapar i refredar un àtom a la FORT, bombar-lo a l'estat fosc, il·luminar-lo amb llum de prova, il·luminar-lo amb llum de lectura i recollir la fluorescència, i comprovar que l'àtom no ha abandonat la FORT. S'introdueixen mètodes estadístics per mesurar la QE i les DC que comparen la distribució de comptes de fluorescència observada amb les distribucions de fluorescència de l'estat hiperfí. Es demostra una QE de (2.4±0.1)×e−3, un rècord per a l'absorció d'un sol fotó per un sol àtom en espai lliure.S’hi mesuren les contribucions dels DC. Per produir DC baixos, la QJPD s'implementa en dos temps: un temps d'exposició per absorció del fotó únic seguit d'un curt temps de fluorescència per llegir l'estat atòmic. Això implica contribucions a les DC diferenciades de adquisició i lectura, com passa als detectors CCD i CMOS. La taxa de salts foscos (anàloga al corrent fosc dels CCD/CMOS) és de (5 ± 10) × e−3 salts/s, compatible amb zero i limitada per les estadístiques de la mesura. La contribució de lectura és de (4.0 ± 0.4) × e−3 salts per ms de fluorescència. Per a una freqüència de lectura de 1 Hz, amb polsos de lectura de 1 ms, es demostra una taxa neta de DC de (15 ± 10) × e−3 comptes\ adquisición, que ja és competitiva amb qualsevol detector no criogènic.Les capacitats de rebuig de llum de Fons (LF) es comproven mesurant la taxa de QJs quan l'àtom és il·luminat amb llum solar directa i amb llum dispersada per l'atmosfera (llum celestial). Es desenvolupa un model d'equacions cinètiques que descriure les probabilitats de QJs en presència de LF de banda ampla, alhora que amb llum de prova feble en ressonància. Aquest model interpreta els experiments en què un feix de senyal feble competeix contra forta LF de banda ampla i es valida utilitzant llum solar directa. Experimentalment, no s'observen QJs induïts per la llum celestial. S’hi mesuren també la brillantor de la llum celestial i les seves fluctuacions, que resulten grans fins i tot en dies majoritàriament clars, factor que augmenta encara més la necessitat de rebutjar la LF.S’hi discuteixen diverses aplicacions extremes de fotodetecció contemporànies com a possibles aplicacions per a la QJPD, incloent comunicacions quàntiques en espai lliure durant el dia, comunicacions clàssiques a l'espai i experiments de física fonamental. Es presenta un escenari en què l'exercic de la QJPD sobrepassen el de detectors comercials.Finalment, s’hi discuteixen millores potencials. Es demostra que tecnologies atòmiques i òptiques existents poden ser aplicades per assolir diferents rangs de longitud d'ona, amples de banda més estrets, eficiència quàntica més alta i comptes foscos més baixos.