Tribunal:
     PRESIDENT: AVEZOV, EDWARD
     SECRETARI: KRIEG, MICHAEL
     VOCAL: GERSHLICK, DAVID
Resum de tesi: El tràfic intracel·lular, particularment la secreció de proteïnes, presenta nombrosos qüestions no resoltes. Aquesta tesi té com a objectiu proporcionar i avaluar eines per a la investigació quantitativa d’aquests processos mitjançant microscòpia fluorescent. L'anàlisi quantitativa ofereix dos avantatges principals: la caracterització detallada de les dinàmiques moleculars per a la comprensió mecànica i les mesures objectives per a comparacions precises entre experiments.Al Capítol 1, introduïm la via secretora, una via cel·lular responsable de la síntesi, processament, classificació i lliurament de proteïnes secretòries a l'entorn extracel·lular. Al Capítol 2, proporcionem una descripció exhaustiva de les metodologies utilitzades en aquesta tesi. Inclouen diverses tècniques de microscòpia de fluorescència, anàlisi d'imatges automatitzada i mètodes biològics adaptats a la via secretora. Les eines es van seleccionar per assolir una alta resolució espacial i temporal, permetre l'anàlisi quantitativa i permetre la caracterització en cèl·lules vives.Al Capítol 3, vam utilitzar la imatge de fluorescència per avaluar objectivament els resultats en quatre projectes que aborden la secreció de proteïnes i el tràfic intracel·lular. Aquests inclouen quantificar la colocalització i la proximitat d'estructures, mesurar diferències en intensitat fluorescent i caracteritzar dinàmiques de partícules com nanotúbuls derivats de l'ERGIC. La preparació consistent de mostres i l'adquisició d'imatges, juntament amb l'anàlisi computacional, són crucials per obtenir resultats precisos i imparcials.El Capítol 4 se centra en el seguiment de partícules individuals (SPT) en la via secretora, proposant experiments de control i descriptors de paràmetres per maximitzar la qualitat de les dades. Vam posar èmfasi en les estratègies de marcatge, la imatge i les consideracions d'anàlisi de dades per a resultats fiables.El Capítol 5 va aplicar aquestes metodologies per estudiar la classificació de proteïnes al TGN, examinant el paper dels llocs de contacte de membranes ER-Golgi (MCS) en la biogènesi dels transportadors derivats del TGN. Utilitzant microscòpia de fluorescència de super-resolució, vam identificar regions d’acumulació de càrrega i vam dur a terme experiments de SPT, revelant el moviment confinat i lent de les proteïnes de càrrega a prop dels MCS. Aquest efecte va ser inhibido pel bloquejador de transferència de lípids 25-HC, indicant una regulació ascendent de les preferències de localització de càrrega per part dels MCS.

Tribunal:
     PRESIDENT: BUSQUETS FACIABÉN, ALBERT
     SECRETARI: ARTIGAS GARCIA, DAVID
     VOCAL: ARMENDOLA, CATERINA
Resum de tesi: Els dispositius òptics difusos híbrids ofereixen un mètode no invasiu, continu i cost-eficaç per monitorar el flux sanguini cerebral i el metabolisme en l'ús al llit i aplicacions de simulació realista. La incorporació de l'espectroscòpia de correlació difusa (DCS) i l'espectroscòpia d'infraroigs pròxims (NIRS) en aquests dispositius amplia la seva versatilitat. Aquest projecte de doctorat es va centrar en l'ús de l'òptica difusa per avaluar l'activitat cerebral durant proves funcionals i d'estrès en poblacions adultes grans.L'envelliment és el principal factor de risc per a diverses condicions cerebrals com l'ictus, trastorns cognitius i problemes de mobilitat. A mesura que la població envelleix, aquestes patologies relacionades amb l'edat es converteixen en una càrrega social i econòmica significativa. La suposició subjacent és que els danys microvasculars i els canvis en la regulació del flux sanguini cerebral contribueixen significativament a un major risc de malalties cerebrovasculars,trastorns cognitius i de mobilitat. Això subratlla la importància de crear un sistema de monitoratge àmpliament accessible i protocols associats capaços de detectar aquests canvis de manera precoç,amb la finalitat de conduir a intervencions personalitzades. Es van realitzar dos estudis multidisciplinaris durant els meus estudis de doctorat per identificar alteracions en els paràmetres hemodinàmics de persones adultes grans en resposta a patologies existents.El flux sanguini cerebral (CBF) microvascular en una cohorte de persones adultes més joves i majors de 65 anys amb i sense deteriorament cognitiu lleu (MCI),amb una salut general bona, va ser monitorat durant proves funcionals i d'estrès. Es va observar que el CBF de les persones adultes majors amb MCI no podia recuperar-se a les condicions inicials comparat amb els participants més joves,indicant possibles problemes d'autoregulació i vasoreactivitat. Les mesures de CBF durant tasques cognitives funcionals van revelar diferències de gènere. Per a una prova determinada,els participants amb MCI van presentar una resposta estadísticament més alta que els subjectes normocognitius (NC).La combinació d'aquests resultats afavorix la "hipòtesi d'ineficiència" que suggereix que les persones adultes majors activen les xarxes cerebrals com els individus NC per fer front a les demandes conductuals, però amb una activitat augmentada.Es va desenvolupar un nou dispositiu òptic difús híbrid que combina un DCS ràpid fet a mida amb un dispositiu NIRS comercial juntament amb dispositius externs per a enregistraments de senyals fisiològics en el segon estudi. El projecte tenia com a objectiu mesurar els canvis en la hemodinàmica cerebral en persones adultes grans amb el Síndrome de Risc Motor (MCR) durant protocols de tasques cognitives i motoras funcionals per avaluar l'impacte pre-post a 3 i 6 mesos de l'exercici físic sol o combinat amb estimulació transcranial de corrent continu. Els resultats van revelar un CBF més alt, però no respostes d'oxi-hemoglobina (HbO2) en tasques dobles comparat amb les simples. No hi va haver diferències entre grups a la línia de base i als 3 mesos, però es van observar respostes estadísticament diferents en el CBF als 6 mesos per ambdós grups d'intervenció comparat amb el grup de control, però no en les respostes de HbO2 o Hb,indicant que la intervenció afecta la resposta de CBF,possiblement a causa de millores en la salut vascular,destacant la importància de l'activitat física i l'estimulació transcranial en el manteniment de la salut vascular.Una part de la meva recerca es va centrar en el desenvolupament de nous algoritmes per descontaminar les dades mesurades del senyal extracerebral per desenvolupar un model òptim per minimitzar l'efecte per ambdós estudis.aquest estudi demostra la capacitat de l'òptica híbrida per capturar les respostes hemodinàmiques evocades a l'escorça prefrontal i ofereix informació sobre l'ús de tècniques per avaluar la la funció cognitiva.

Tribunal:
     PRESIDENT: TURA I BRUGUÉS, JORDI
     SECRETARI: LEWENSTEIN, MACIEJ
     VOCAL: MANCINSKA, LAURA
Resum de tesi: A principis del segle passat vam ser testimonis d'un canvi de paradigma en la manera com la física descrivia el món, amb la formulació de la física quàntica, una nova teoria que sacsejà les bases de la ciència establint límits fonamentals a la nostra capacitat de descriure la natura. Era capaç d'explicar les lleis que governen la física a una escala microscòpica, a diferència de la física clàssica. El comportament a aquestes escales és radicalment diferent del que experimentem al nostre dia a dia. Per exemple, els fenòmens d'entrellaçament i no-localitat només es poden observar a escala microscòpica. Precisament, l'entrellaçament i les correlacions no locals són dos recursos essencials en el processament de la informació quàntica, permetent tasques innovadores inaccessibles dins una estructura purament clàssica.A finals segle XX es van produir una sèrie d'estudis de les propietats fonamentals de la física quàntica. Actualment, i com a conseqüència d'aquests avenços, diverses companyies venen aparells assegurant que duen a terme una tasca d'informació quàntica sense anàleg clàssic, com per exemple generadors de números aleatoris, prototips d'ordinadors quàntics, o aparells de distribució de claus quàntiques. Com que aquest tipus d'aparells no es poden simular clàssicament, resulta difícil verificar-ne el funcionament fent servir únicament recursos clàssics, que són els que estan a l'abast de l'usuari mitjà. Així doncs, és lògic preguntar-nos de quina manera podem verificar-ne el funcionament i les propietats d'una forma eficient.En aquest context, durant les útlimes dècades, s'han desenvolupat el que coneixem com protocols independents de l'aparell dins la teoria de la informació quàntica. El principal avantatge d'aquests protocols és que els usuaris no han de fer cap mena de suposició sobre el funcionament intern de l'aparell, considerant-los com caixes negres. L'èxit i la seguretat d'aquesta mena de protocols es basa en l'observació de correlacions no locals en un experiment de Bell.Aquesta tesi pretén proporcionar eines per aconseguir la certificació d'aparells o tasques d'informació quàntica amb independència de l'aparell utilitzat. Per aconseguir-ho, la tesi està dividida en tres parts.En primer lloc, ens centrem en la certificació de la seguretat en la distribució de claus quàntiques amb independència de l'aparell proporcionat. Per fer-ho, primer estudiem si la no-localitat de Bell és una condició suficient per garantir la seguretat en el tipus de protocols més utilitzats, demostrant que hi ha correlacions no locals que no són útils per la seguretat fent servir aquesta mena de protocols. A més, estudiem escenaris amb presència d'imperfeccions experimentals.En la segona part estudiem el que anomenem auto-proves, que és un dels protocols independents de l'aparell més simples que existeixen. L'objectiu és recuperar estats quàntics únicament a partir de les correlacions observades. Donat que en la majoria de tasques de processament d'informació és necessari considerar un estat quàntic determinat, certificar estats quàntics té una gran importància en aquest paradigma. Demostrem que els estats de qubits multipartits poden ser autoprovats i estudiem què podem saber de sistemes de dimensions més grans.Per acabar, entomem el problema de la certificació d'entrellaçament, ja que se sap de la dificultat de certificar la presència d'entrellaçament en un sistema. Els mètodes més coneguts per detectar entrellaçament són els testimonis d'entrellaçament i els mapes positius, i tots dos depenen de la nostra comprensió de les propietats de l'àlgebra multilineal. Fent servir que qualsevol estat separable té una correspondència unívoca amb una desigualtat matricial, traduim mapes multilineals positius a testimonis d'entrellaçament. Aquest enfocament ens duu a un tractament unificat d'una àmplia classe de desigualtats matricials, permetent-nos assolir nous avenços en la teoria de l'entrellaçament.

Tribunal:
     PRESIDENT: ECKARDT, ANDRÉ
     SECRETARI: ACÍN DAL MASCHIO, ANTONIO
     VOCAL: BAÑULS POLO, MARIA CARMEN
Resum de tesi: Quan la matèria es refreda a temperatures prop del zero absolut, la seva naturalesa quàntica emergeix. En aquest règim, les interaccions entre els seus constituents microscòpics poden conduir a l’aparició de propietats físiques fascinants. Encara que el marc de la ruptura espontània de simetria ha estat remarcablement reeixit en descriure com un nombre macroscòpic de partícules cooperen per dotar a un sistema de les seves propietats, això no és sempre suficient per descriure els sistemes quàntics.Això és especialment cert per sistemes de molts cossos que interactuen fortament. En els darrers anys, s’han desenvolupat múltiples tècniques per abordar aquest problema. D’una banda, els increïbles avenços en computació clàssica i el desenvolupamentde nous algorismes han fet possible estudiar sistemes amb un nombre de constituents fonamentals que eren inimaginables fa tan sols unes dècades. En particular, el desenvolupament de tècniques com les xarxes de tensors ha unificat els marcs de la informació quàntica amb la matèria condensada, el que permet optimitzar els recursos computacionals per simular un sistema en funció del seu entrellaçament.D’altra banda, el desenvolupament de plataformes per realitzar simulacions directament sobre sistemes quàntics és un objectiu molt buscat. Encara que un hipotètic ordinador quàntic universal podria augmentar dramàticament la nostra comprensió de la naturalesa quàntica de la matèria, el seu difícil desenvolupament fa essencial la realització de plataformes analògiques on es poden estudiar directament modelsespecífics de molts cossos en entorns altament controlats. En aquests simuladors quàntics, es poden observar fenòmens quàntics nous en un entorn lliure de desordrei amb un excel·lent control sobre els paràmetres i capacitats de mesura. En aquesta tesi, explorem aquestes dues vies per estudiar alguns dels temes més rellevants i actius de la física més enllà del paradigma de la ruptura espontània de simetria. En la primera part, dedicada a la topologia, proposem i analitzem noves tècniques per a la detecció d’excitacions topològiques. Comencem proposant un protocol per detectar anyons, quasi-partícules que no es comporten ni com bosons ni com fermions, en sistemes d’efecte Hall quàntic fraccional per mitjà de la mesura del moment angular d’impureses que s’enllacen als anyons. Després mostrem com excitacions similars poden ser identificades en superconductors topològics a través de la interacció entre el camp electromagnètic d’un fort pols làser amb el sistema enun procés anomenat generació d’alts harmònics.En la segona part, passem a l’estudi de la frustració quàntica. Aquest fenomen, que descriu una situació en la qual diverses restriccions del sistema no poden ser satisfetes simultàniament, pot conduir a l’aparició de fases inesperades de la matèria. Concretament, estudiem l’emergència de fases frustrades i una classe particular de punts crítics quàntics, anomenats desconfiats, en sistemes frustrats unidimensionals potencialment realitzables en simuladors quàntics. Finalment, estudiem com la frustració podria explicar l’aparició de la superconductivitat barrejada amb modulacions de densitat de càrrega en sistemes bidimensionals fortament correlacionats.

Tribunal:
     PRESIDENT: LEVITT, MALCOLM HARRIS
     SECRETARI: GARCÍA DE ARQUER, FRANCISCO PELAYO
     VOCAL: SAUER, KAREN LOUISE
Resum de tesi: Aquesta tesi doctoral descriu la teoria, simulacions, aparell experimental i mesuraments de dinàmiques de espín nuclear per mitjà de magnetòmetres de bombeig òptic en règims magnètics no convencionals. Aquesta tesi està dividida en quatre parts: magnetometria, espectroscòpia de ressonància magnètica nuclear, dispersió relaxació nuclear i control de espín nuclear.La secció de magnetometria descriu com, mitjançant la integració de les tècniques d’intercanvi de espín DC lliure de relaxació i magnetòmetres RF, s’ha desenvolupat un magnetòmetre àmpliament ajustable que ofereix una resposta gairebé plana des de DC fins a uns pocs kHz amb una sensibilitat de menys de 20 fT √Hz. En aquest rang, sobrepassa les capacitats de mètodes de detecció inductiva i elimina la necessitat de temperatures criogèniques necessàries en aparells superconductors d'interferència quàntica o SQUIDs (per les sigles en anglès).A la següent part s'empra el magnetòmetre per realitzar experiments d'espectroscòpia de ressonància magnètica nuclear en sistemes amb espines nuclears acoblats. Es fa una anàlisi exhaustiva per trobar el camp magnètic que dóna la determinació més precisa de la constant J d'acoblament. Es demostra que alguns sistemes en règim de camps ultra baixos ofereixen avantatges quan es comparen amb els camps a zero y alt règim.Un factor clau per triar el camp magnètic és la forta dependència de la relaxació de l'espín nuclear amb el camp. Aquesta dependència s'explora a la tercera part d'aquesta tesi al rang no convencional de camps ultra baixos, amb una discussió sobre coherències persistents de llarga vida i l'impacte de correlacions esteses a les dinàmiques moleculars. Aquest estudi es realitza experimentalment adaptant el mètode establert de rotació ràpida de camp (fast field cycling) a camps ultra baixos i combinant-ho amb detecció òptica.La part final d'aquesta tesi s'enfoca a millorar la manipulació de les dinàmiques d'espín nuclear mitjançant mètodes avançats que asseguren un control de l'espín selectiu, eficient, exacte i a prova d'errors. Els camps ultra baixos tenen atributs únics que fan que fins i tot les tècniques bàsiques com els polsos ressonants selectius d'espín siguin difícils d'implementar. Per resoldre això, s'han desenvolupat nous conceptes que permeten el control efectiu de l'espín en el rang de camps ultra baixos similars o fins i tot millors que les contraparts de camps alts. L'eficàcia d'aquestes seqüències de polsos millorades es demostra amb experiments de desacoblament dinàmic, polarimetria i filtratge espectral.

Tribunal:
     PRESIDENT: TAVAKOLI, ARMIN
     SECRETARI: LEWENSTEIN, MACIEJ
     VOCAL: VENKATESH, VILASINI
Resum de tesi: Entendre les relacions de causa i efecte darrere de les correlacions observades és central per a la nostra manera de raonar i interactuar amb el món. Les relacions de causa i efecte ens ajuden a donar sentit als patrons que observem i predir quines intervencions en la naturalesa podrien portar a un resultat desitjat. Aquests patrons es poden emmarcar matemàticament com la distribució de probabilitat conjunta d'un conjunt de variables aleatòries clàssiques que capturen informació recollida de l'entorn. Aquesta informació pot variar des de dades abstractes, com estadístiques de respostes d'enquestes, fins a esdeveniments físics, com la probabilitat d'activar un fotodetector. Una pregunta fonamental és la de la compatibilitat causal: Són les correlacions observades compatibles amb una explicació causal donada? Una explicació causal pot expressar-se en termes de models causals, els quals poden ser estudiats sistemàticament amb les eines proporcionades pel camp de la inferència causal. Els models causals consisteixen en variables aleatòries observables amb distribucions de probabilitat conegudes i variables latents amb distribucions desconegudes que, juntes, expliquen les correlacions observades a través d'influències causals, és a dir, relacions funcionals entre els valors d'aquestes variables. La teoria quàntica, una de les teories més precises a nivell fonamental, és inherentment probabilística. Per tant, els resultats de les mesures es representen com a variables aleatòries. Això porta naturalment a l'anàlisi causal: Quines relacions de causa i efecte poden explicar els resultats obtinguts en un experiment quàntic? Un dels experiments quàntics més simples és aquell en què dos laboratoris distants realitzen mesures triades independentment i separades espacialment sobre un estat quàntic compartit. El 1964, John Bell va demostrar que en aquest experiment la teoria quàntica prediu correlacions que desafien qualsevol explicació clàssica en termes de causes comunes. Aquest resultat és conegut com el Teorema de Bell, i el fenomen com no localitat de Bell. Aquesta tesi té com a objectiu caracteritzar operacionalment les diferències fonamentals entre les teories clàssiques i quàntiques dins d'escenaris causals més enllà de l'escenari de causa comuna de Bell. Aquest enteniment eventualment pot ajudar a integrar fenòmens quàntics en un marc de causalitat coherent i conceptualment clar. Per assolir aquest objectiu, explorem com els models causals clàssics i quàntics divergeixen en tasques operacionals en escenaris causals específics. Ens centrem en escenaris simples que van més enllà dels de Bell, mentre busquem descobrir noves formes d'avantatge quàntic que són fonamentalment diferents de la no localitat de Bell tradicional. El nostre objectiu és vincular aquestes noves formes d'avantatge quàntic amb diferents propietats no clàssiques de la teoria quàntica i estudiar les seves aplicacions potencials. Un component crític d'aquesta investigació és provar la compatibilitat causal de correlacions específiques amb un model causal donat. Així doncs, una part important d'aquesta tesi està dedicada a expandir i refinar l'abast dels mètodes actuals per provar la compatibilitat causal.

Tribunal:
     PRESIDENT: HOLGER ESSLINGER, TILMAN
     SECRETARI: LOZA ALVAREZ, PABLO
     VOCAL: GROSS, CHRISTIAN
Resum de tesi: Els àtoms ultrafreds han demostrat ser un recurs valuós per l’estudi i la comprensió de sistemes quàntics de molts cossos en un entorn controlat. En particular, els microscopis de gasos quàntics proporcionen un accés sense precedents a observables locals i permeten investigar aquests sistemes a nivell de cada partícula individual, oferint noves perspectives sobre el seu comportament. Malgrat que fins ara la majoria d’aquests microscopis han utilitzat àtoms alcalins, s’espera que les propietats distintives dels àtoms alcalinoterris, en particular l’estronci, combinades amb la microscòpia de gasos quàntics, aportin nova llum a una àmplia varietat de problemes de molts cossos. Aquesta tesi descriu la realització d’imatges amb resolució d’un sol punt de xarxa per a àtoms d’estronci bosònics i fermiònics en una xarxa òptica al règim de Hubbard. Aquest resultat desbloqueja la possibilitat d’estudiar nous tipus de sistemes de Bose-Hubbard i Fermi-Hubbard SU(N).Un pas essencial en els experiments d’àtoms ultrafreds és la preparació d’un núvol quàntic degenerat. A la primera part d’aquesta tesi, discutim els mètodes implementats al nostre aparell per aconseguir aquest objectiu. Hem desenvolupat un nou mètode de protecció en ressonància que duplica el nombre d’àtoms a la primera etapa de refredament, la trampa magneto-òptica blava de transició ampla. Durant la segona etapa de refredament en una trampa magneto-òptica vermella de línia estreta, l’estructura hiperfina dels àtoms fermiònics presenta nous reptes, que abordem barrejant els estats hiperfins amb un làser addicional per atrapar i refredar els àtoms eficientment. Després de les etapes de refredament làser, realitzem refredament per evaporació en una trampa dipolar abans de carregar els àtoms en una xarxa òptica bidimensional. El làser de la xarxa opera a la longitud d’ona màgica per a la transició rellotge de l’estronci (813.4nm), que permetrà mesures d’alta precisió en experiments futurs.Per prendre imatges dels àtoms individuals a la xarxa òptica, col·loquem un objectiu de microscopi d’alta obertura numèrica a poca distància dels àtoms. Hem demostrat la detecció d’àtoms individuals per a estronci bosònic i fermiònic, i hem reconstruït l’ocupació a la xarxa per a ambdós, assolint fidelitats de fins a un 96%. Per a l’isòtop bosònic de 84-Sr, hem induït fluorescència en la transició ampla blava i simultàniament hem realitzat refredament atractiu de Sísif en la transició estreta vermella. A més, mitjançant la combinació d’aquest mètode i la detecció en l’espai de moments, hem aconseguit observar la interferència de l’ona de matèria que sorgeix de la coherència de fase del superfluid Bose-Hubbard. Per als àtoms fermiònics de 87-Sr, només hem utilitzat la transició vermella per a la fluorescència, cosa que ens permet obtenir per primera vegada tant la resolució d’àtoms individuals com la detecció de l’estat d’espín en àtoms alcalinoterris.Aquesta tesi ha combinat, per primera vegada, la microscòpia de gasos quàntics amb l’estronci ultrafred i les seves propietats espectrals distintives. Aquesta plataforma habilita una àmplia varietat d’estudis en el futur. Per als bosons, desbloqueja la investigació de sistemes Bose-Hubbard dissipatius amb detecció d’àtoms individuals, així com l’exploració de la interacció col·lectiva d’àtoms i fotons en matrius ordenades d’àtoms. Per als fermions, la detecció individual d’àtoms i el seu estat d’espín proporciona l’entorn ideal per investigar les correlacions antiferromagnètiques en sistemes SU(N≤10) de Fermi-Hubbard i la realització de fases magnètiques exòtiques.

Tribunal:
     PRESIDENT: COELHO MESQUITA, RICKSON
     SECRETARI: CAMPELO AUBARELL, FELIX
     VOCAL: GOROSTIZA LANGA, PAU
Resum de tesi: El cervell és un òrgan crucial que controla totes les funcions del cos. La teva salut està influenciada per múltiples factors, i qualsevol anormalitat pot afectar negativament el seu bon funcionament, provocant condicions patològiques. Així, s'han desenvolupat eines i tècniques per explorar la seva estructura i funcions. A causa de la complexitat del cervell, el seu estudi comprèn un camp divers d'investigació. Aquest treball doctoral es basa en una categoria particular que se centra en el desenvolupament i l'ús d'eines de neuromonitorització per visualitzar la seva activitat i estat.La imatge òptica és una metodologia de neuromonitorització robusta i en creixement que inclou una sèrie de tècniques que controlen l'activitat cerebral mitjançant el seguiment de l'hemodinàmica cerebral, que se sap que forma una estreta relació amb l'activitat neuronal a causa de l'"acoblament neurovascular". L'objectiu principal d'aquest estudi doctoral és desenvolupar noves modalitats de neuroimatge multimodal per explorar les activitats complexes que es produeixen dins del cervell. L'acoblament neurovascular és un concepte fonamental en neurociència, i aquest vincle s'ha d'entendre completament per interpretar l'estat del cervell durant la salut o la patologia. En aquest estudi doctoral, la investigació de l'acoblament neurovascular es va dur a terme durant un estat cerebral específic en el qual predomina l'activitat d'ona lenta a l'escorça cerebral, que s'observa durant el son de moviment ocular no repetitiu o l'anestèsia profunda. Aquesta activitat cortical està relacionada amb les funcions vitals del cervell per mantenir la seva salut, i la seva interrupció porta a patologies relacionades amb el son i la cognició.En aquest estudi doctoral, es va investigar l'activitat cortical d'ones lentes monitoritzant simultàniament l'activitat neuronal i l'hemodinàmica, mitjançant la construcció d'una plataforma formada per electrofisiologia sincronitzada i sistemes d'imatge òptica per a experiments amb rosegadors. L'avaluació espacial i temporal de la relació neurovascular es va dur a terme durant l'estat cortical espontani no alterat durant l'activitat d'ona lenta i durant l'estat pertorbat externament. Durant ambdós estats es van observar períodes d'activació neuronal d'aquesta activitat que van donar lloc a un augment del flux sanguini cerebral, i aquesta resposta es va quantificar amb detall. A més, es va representar la funció de resposta hemodinàmica per a una millor comprensió. Tingueu en compte que tant l'electrofisiologia com la imatge òptica van poder controlar simultàniament l'activitat cerebral en múltiples ubicacions corticals a través d'una gran regió cerebral que va ajudar a les comparacions espacials.A més d'aquest projecte, aquest estudi doctoral també ha implicat el desenvolupament d'un sistema tomogràfic híbrid que permet la monitorització simultània tant del flux sanguini cerebral com de l'oxigenació sanguínia cerebral com una combinació de tomografia òptica de contrast de speckle d'alta densitat (HD-SCOT) i d'alta densitat sistemes de tomografia òptica difusa (HD-DOT). Aquest dispositiu de tomografia òptica i tomografia d'òptica difusa de contrast de speckle d'alta densitat (HD-SCOT/DOT) es va desenvolupar per explorar l'activitat cerebral i abordar funcions cerebrals complexes relacionades amb la unitat neurovascular en estudis preclínics en rosegadors. Es tracta d'un dispositiu nou, i el seu desenvolupament durant aquest estudi doctoral va incloure totes les tasques relacionades que van des de la construcció de la seva instrumentació fins al desenvolupament de la interfície usuari-dispositiu, així com la prova de la seva funcionalitat mitjançant experiments amb fantasmes líquids que imiten teixits i experiments amb rosegadors. Aquest dispositiu té el potencial de ser utilitzat en futurs estudis centrats en la investigació del metabolisme de l'oxigen al cervell.

Tribunal:
     PRESIDENT: MAZZANTI CASTRILLEJO, FERNANDO PABLO
     SECRETARI: PRUNERI, VALERIO
     VOCAL: DELLANTONIO, LUCA
Resum de tesi: Amb aplicacions en gairebé tots els aspectes de les nostres vides, els problemes d’optimització són omnipresents en un rang molt ample de camps pertanyents tant a la recerca científica com als ambients industrials. Com a tals, aquests problemes estan creixent en mida i en complexitat a un ritme accelerat, i no s’espera que deixin de fer-ho. Així doncs, la urgència per obtenir mètodes capaços de trobar solucions més òptimes en menys temps no para de créixer i, mentre que el desenvolupament de les tecnologies de computació quàntica capaces d’afrontar aquests problemes avança sense pausa, ho fa a un ritme massa lent per als reptes que les necessitats de la societat actual representen. Conseqüentment, actualment una gran quantitat d’esforços està essent invertida en millorar els mètodes de resolució clàssics i les plataformes específicament dissenyades per a executar-los, per tal de poder resoldre problemes d’optimització de grandàries suficientment rellevants. La present tesi està emmarcada en aquest paradigma: s’estudien tècniques d’optimització clàssiques des de diferents perspectives, amb l’objectiu d’incrementar-ne la seva eficiència.Amb aquesta finalitat, en primer lloc ens endinsem en qüestions relacionades amb les propietats físiques dels sistemes que permeten formular problemes d’optimització rellevants des del punt de vista industrial en un llenguatge matemàtic convenient: els cristalls de spín amb acoblaments fixes. Entendre’n les seves propietats és de màxima importància per a un disseny apropiat dels procediments de refredament utilitzats en els algoritmes d’optimització basats en la simulació de processos tèrmics. Seguidament s’estudia l’impacte que les correlacions ocultes en les seqüències de nombres pseudoaleatoris utilitzats en aquestes simulacions tenen en els seus resultats, comparant simulacions que utilitzen generadors pseudoaleatoris de diverses qualitats i un generador de nombres aleatoris quàntic. Per finalitzar, s’investiguen nous mecanismes, inspirats en processos de caràcter quàntic, de millorar la forma en què els algoritmes clàssics naveguen els perfils d’energia dels cristalls d’espín, amb la finalitat d’evitar que les simulacions quedin atrapades en mínims d’energia locals i així obtenint solucions més òptimes.

Tribunal:
     PRESIDENT: PICAUD, SERGE
     SECRETARI: KRIEG, MICHAEL
     VOCAL: ACCANTO, NICOLÒ
Resum de tesi: L’estudi de com restablir la visió és fonamental per fer front a les malalties degeneratives que causen ceguera. Amb més de 230 milions de persones afectades arreu del món per pèrdua de visió, i una estimació d'augment de 38 a 115 milions per a 2050, la urgència de trobar tractaments efectius és més que evident. Actualment no existeix cura però s'estan investigant diverses aproximacions per restaurar artificialment la visió en aquests pacients. Aquestes inclouen teràpies gèniques i cel·lulars que s'orienten en reconstituir el teixit malalt, així com mètodes com l'optogenètica i les pròtesis per modular l'activitat neuronal reemplaçant la disfunció. Comprenent i manipulant l'activitat neuronal, els científics aspirem a restablir la visió o enlentir els processos de degeneració. Entre els resultats d'aquesta tesi en destaquen els progressos en quatre àrees de recerca per restablir la visió. Al Capítol 2a s’explora un nou tipus d’implant retinal format per microelèctrodes de grafè. També es detalla un protocol per mesurar les dinàmiques de calci en explants de retina, facilitant futurs estudis que combinin estimulació elèctrica amb tècniques òptiques. El Capítol 2b es centra en l'adaptació d'un oftalmoscopi per captar imatges en viu, amb resolució cel·lular per estudiar la retina de models murins, amb l'objectiu d'establir les bases per a futures implementacions per monitorar la funcionalitat de la pròtesis un cop implantada. El Capítol 3 s'endinsa en el potencial dels organoids retinals derivats de cèl·lules mare de pacients per a la investigació de les retinopaties. Utilitzant tècniques d'imatge avançades, hem observat amb èxit la formació de tipus cel·lulars retinals distintius dins dels organoids i hem identificat diferències en les dinàmiques del calci entre models d’organoids provinent de voluntaris sans i pacients malalts. El Capítol 4 proposa una nova tècnica basada en l'excitació amb tres fotons per controlar l’activitat neural amb drogues fotoestimulables, en més profunditat i amb major precisió que els mètodes tradicionals. En conjunt, aquests avenços en el disseny d'implants retinals, el monitoratge in vivo de la retina, l'estudi del potencial dels organoids com a nous models derivats de pacients, i el desenvolupament de tècniques no invasives d’estimulació cerebral mitjançant tres fotons, obren el camí per al desenvolupament futur de teràpies més efectives per a restablir la visió.

Tribunal:
     PRESIDENT: WEITZ, THOMAS
     SECRETARI: RUBIO VERDÚ, CARMEN
     VOCAL: RIBEIRO PALAU, REBECA LISSETTE
Resum de tesi: L'any 2018, seguint una predicció teòrica de 2011, es va descobrir que apilar dues capes de grafè amb un angle relatiu de 1.1° entre elles, condueix a múltiples propietats noves. A aquest anomenat angle màgic, l'estructura de bandes electròniques del material es reconstrueix, creant una estreta banda plana en el nivell de Fermi. La formació d'una banda plana poten\c{c}a les interaccions electròniques, donant lloc a l'emergència d'estats de la matèria no presents a les capes originals de grafè, incloent aïllants correlacionats, superconductivitat, ferromagnetisme i estats topològics no triviales. La comprensió de l'origen d'aquests estats correlacionats podria ajudar a desxifrar la física de sistemes amb bandes planes altament correlacionades, la qual cosa podria proporcionar importants desenvolupaments tecnològics.L'objectiu principal d'aquesta tesi és estudiar el grafè girat a l'angle màgic (MATBG, per les seves sigles en anglès) mitjançant la creació d'unions de Josephson monolítiques definides per portes elèctriques. Aprofitant el ric espai de fase del material, podem crear una unió de Josephson ajustant de manera independent el superconductor i l'estat de la connexió feble. Estudiar l'efecte Josephson és un primer pas cap a la comprensió de propietats fonamentals d'un superconductor, com el seu paràmetre d'ordre.En primer lloc, hem optimitzat la fabricació d'aquestes unions definides per portes elèctriques creades amb materials de van der Waals. Hem creat dispositius de MATBG encapsulats en hBN amb doble porta de grafit, on la porta superior es divideix en dues parts mitjançant tècniques de nanolitografia. D'aquesta manera, es poden controlar de manera independent les tres regions de la unió de Josephson (superconductor, connexió feble i superconductor). Posteriorment, hem estudiat les unions de Josephson definides per portes mitjançant tècniques de transport a baixa temperatura. Després de demostrar l'efecte Josephson en els dispositius fabricats, ens centrem en el comportament detallat d'una d'aquestes unions.Hem observat un comportament no convencional quan la connexió feble de la unió es col·loca a prop de l'aïllant correlacionat a mig omplert de la banda plana de forats. Hem observat un patró de Fraunhofer amb un desplaçament de fase i una pronunciada histèriesi magnètica, característica de les unions de Josephson magnètiques. Per comprendre l'origen dels senyals, hem realitzat una anàlisi de Fourier de la distribució de corrent crítica, així com un càlcul d'enllaç fort d'una unió de Josephson en MATBG. Els nostres càlculs teòrics amb un estat polaritzat en una vall com a connexió feble poden explicar les principals característiques observades a l'experiment. Finalment, la combinació de la magnetització i el seu canvi de magnetització induït per corrent, ens ha permès realitzar un diode superconductor programable a zero camp magnètic.Finalment, hem demostrat la flexibilitat d'aquests dispositius en estudiar una unió p-n de MATBG sota il·luminació. Hem estudiat la dinàmica de relaxació d'electrons calents mitjançant mesures de fotovoltatge en temps i freqüència. Les mesures han revelat un refredament ultra ràpid en MATBG en comparació amb el grafè bicapa de tipus Bernal a baixes temperatures. Aquest ràpid refredament al MATBG es pot explicar per la presència del patró de moiré i la corresponent minizona de Brillouin.En resum, hem demostrat que integrant diversos estats de MATBG dins d'un sol dispositiu, podem obtenir una comprensió més profunda de les propietats del sistema i podem dissenyar estructures híbrides innovadores i complexes, com unions de Josephson magnètiques i diodes superconductors.

Tribunal:
     PRESIDENT: SANTOS SANCHEZ, LUIS
     SECRETARI: CHANG, DARRICK
     VOCAL: HAUKE, PHILIPP HANS-JÜRGEN
Resum de tesi: En els darrers anys, l'evolució de les tecnologies quàntiques ha resultat en un control sense precedents sobre les partícules quàntiques individuals i sistemes de moltes partícules. Aquest progrés ha donat lloc a una nova era, marcada per la convergència de metodologies clàssiques i quàntiques per investigar qüestions fonamentals sobre la natura de la matèria quàntica, millorant la nostra comprensió del paper de l'entrellaçament en els sistemes d'estat sòlid o dels mecanismes darrere de la física d'altes energies. Des dels simuladors quàntics analògics fins als ordinadors quàntics digitals, aquestes avenços tenen potencial en diversos àmbits. Aquesta tesi explora la interacció entre mètodes clàssics i quàntics per entendre les fases topològiques de la matèria. Ens centrem en tres direccions concretes: l'estudi dels superconductors topològics no convencionals, les fases topològiques induïdes per interaccions en simuladors quàntics d'àtoms ultrafreds i les aplicacions d'algoritmes quàntics variacionals. Cada trajectòria es basa en la combinació de diferents tècniques amb l'objectiu de comprendre i caracteritzar fenòmens topològics en diferents contextos.La investigació dels superconductors topològics no convencionals implica estendre el model paradigmàtic de la cadena de Kitaev incorporant termes addicionals al Hamiltonià, com ara interaccions a llarg abast i potencials quasi-periòdics. Això és rellevant per comprendre millor l'impacte de les condicions del món real en les propietats topològiques i de localització dels sistemes que alberguen modes Majorana no locals, candidats prometedors per a la computació quàntica topològica. En el camp de sistemes amb interaccions, explorem la realització de fases topològiques induïdes per interaccions en sistemes d'àtoms ultrafreds en retícules òptiques, tant en una com en dues dimensions. El control i la versatilitat d'aquestes plataformes permeten simular models topològics teòrics i física fortament correlacionada. La relació entre les interaccions i la topologia pot donar lloc a fenòmens intrigants, com ara càrregues fraccionàries delocalitzades i fases topològiques que no son aïllants i que desafien la intuïció existent. Fem servir mètodes numèrics avançats basats en xarxes tensorials per avaluar propostes experimentals que proporcionen mitjans per a la realització i detecció de noves fases de la matèria, incolent punts crítics quàntics topològics i un aïllant Peierls topològic d'ordre superior en models de Bose-Hubbard amb interaccions a llarg abast.Els algoritmes quàntics variacionals, d'altra banda, tenen el potencial d'abordar eficientment una àmplia gamma de problemes, incloent-hi la cerca d'estats fonamentals, la classificació de fases o l'accés a invariants topològics. Malgrat les limitacions actuals en termes de capacitat d'entrenament i escalabilitat, aquests algoritmes híbrids clàssics-quàntics ofereixen una percepció pràctica sobre les capacitats actuals dels ordinadors quàntics i poden inspirar arquitectures futures. Investiguem l'aplicació d'algoritmes quàntics variacionals per aportar llum als fenòmens topològics, plantejant preguntes sobre la seva capacitat per discernir transicions de fase topològiques i calcular invariants topològics en situacions on els enfocaments clàssics fallen.Aquesta tesi presenta una exploració completa de diversos enfocaments a la matèria quàntica topològica, aprofundint en les tecnologies quàntiques. Els nostres resultats no només avancen en la comprensió d'aquests sistemes, sinó que també obren el camí cap a la realització i el descobriment de nova física que s'estén cap al processament d'informació quàntica, la ciència dels materials i més enllà.

Tribunal:
     PRESIDENT: GONZALEZ BALLESTERO, CARLOS
     SECRETARI: DE RIEDMATTEN, HUGUES
     VOCAL: GONZALEZ TUDELA, ALEJANDRO
Resum de tesi: El ràpid avenç de les tecnologies quàntiques està empenyent la frontera de la innovació científica i tecnològica. Entre els diferents sistemes utilitzats per convertir teoria quàntica en aplicacions útils, els fotons es presenten com a contendents de particular interès.Els seus avantatges inherents, com la baixa decoherència i ràpida propagació, els fan portadors ideals d'informació quàntica per a aplicacions en comunicació, computació i mesura.Tanmateix, la manipulació i control eficients d'estats quàntics fotònics presenten reptes significatius, sovint requerint l'úsd'interfícies. En la present Tesi, investiguem diversos enfocaments innovadors per dissenyar i controlar les propietats de la llumutilitzant àtoms neutres atrapats en el buit.Al Capítol 2, presentem un nou mètode per observar i manipular efectes d'interferència quàntica entre uns pocs fotons i un sol àtomen el buit. El nostre enfocament utilitza una configuració de Creu de Malta, on dos feixos coherents il·luminen l'àtom en direccionsperpendiculars. Fins i tot quan l'acoblament àtom-fotó és dèbil, demostrem que un ajust precís de les relacions d'intensitat i faserelativa dels feixos és equivalent a obtenir una eficiència d'acoblament efectiva, la qual pot ser artificialment augmentada per adeterminats observables. En particular, és possible dissenyar correlacions entre fotons, des d'estats totalment antiagrupats fins aestats extremadament agrupats, així com controlar les propietats de la transmissió lineal en direccions específiques.Al Capítol 3, proposem la combinació de retícules atòmiques ordenades, protocols de Transparència Electromagnèticament Induïda(EIT) i àtoms de Rydberg com una plataforma prometedora per a l'òptica quàntica no lineal. La periodicitat espacial de la retículapermet un control precís sobre la dispersió de fotons, reduint la dissipació inherent de protocols tradicionals basats en EIT iRydberg. Utilitzant una retícula bidimensional, dissenyem i caracteritzem un ``interruptor'' accionat amb fotons individuals, onl'emmagatzematge d'un sol fotó com a excitació de Rydberg resulta en un fort canvi de la resposta òptica del sistema. Aquestinterruptor es pot utilitzar per implementar portes lògiques fotó-fotó amb un error que escala amb el radi de bloqueig de Rydbergcom R_b^{-4}, assolint potencialment eficiències de fins a 99% per a paràmetres assequibles experimentalment.Al Capítol 4, discutim un recent experiment on es van observar característiques pròpies de la transició de fase de Dicke en un núvold'àtoms allargat il·luminat en el buit. Això és inesperat, ja que el model de Dicke típicament involucra un conjunt d'àtoms acoblats demanera idèntica a un sol mode fotònic, similar a un conjunt d'àtoms en una cavitat. En canvi, els àtoms en el buit interactuen ambun continu de modes òptics, donant lloc a efectes de propagació que comprometen la uniformitat del model de Dicke. En aquestcapítol, presentem i resolem un model simple per explicar el comportament observat en l'experiment, basat en les equacions deMaxwell-Bloch unidimensionals. Tot i trobar un comportament no analític en certs observables, una anàlisi més detallada revela unainhomogeneïtat espacial significativa en les propietats atòmiques. Per això, concloem que el sistema en l'espai lliure no experimentauna transició de fase tradicional, sinó més aviat una ``separació'' de fase, entre regions saturades i no saturades.En conjunt, els resultats d'aquesta Tesi representen una contribució significativa cap a una millor comprensió dels fenòmensquàntics associats a les interaccions àtom-fotó en el buit, i cap a la conversió d'aquest coneixement en implementacionstecnològiques pràctiques.

Tribunal:
     PRESIDENT: MANNELLI, ILARIA
     SECRETARI: GARCÍA DE ARQUER, FRANCISCO PELAYO
     VOCAL: ST CLAIR, TODD PARRISH
Resum de tesi: Les propietats dels materials ultratins presenten oportunitats interessants per desenvolupar superfícies multifuncionals. A més, l'ús de plàstic i vidre fi com a substrats transparents té el potencial d'estendre l'ús de materials ultrafins més enllà dels substrats convencionals i proporcionar avenços vitals a les tecnologies existents i emergents en una àmplia gamma de sectors. Un dels principals reptes als quals s'enfronten els substrats transparents de nova generació és la finestra de processament de temperatura substancialment reduïda que no és compatible amb els materials que requereixen altes temperatures de fabricació. Aquesta tesi descriu el desenvolupament de tècniques de fabricació per obtenir materials ultrafins en substrats transparents de baix pressupost tèrmic per crear superfícies amb funcionalitats òptiques i biològiques avançades. Més concretament, aquesta tesi descriu:• Una nova tècnica de transferència de baixa temperatura en substrats flexibles per a materials ultraprims com el grafè, MoS2 i metalls nanoestructurats que anteriorment es conreaven a una temperatura molt més alta. La universalitat del mètode estén l'ús d'aquests materials ultratins a una àmplia gamma de substrats tecnològicament rellevants com el vidre de coberta per a mòduls de visualització i substrats polimèrics per a la propera generació electrònica plegable i doblegable.• Un nou enfocament per augmentar de forma natural la conductivitat elèctrica de superfícies transparents basades en el grafè, sense necessitat de posttractament, portes elèctriques o altes temperatures. En particular, el mètode aconsegueix una conductivitat de magnitud comparable o més gran que el que s'informa en estudis anteriors. A més, l'augment de la conductivitat elèctrica es realitza simplement mitjançant l'ús d'un substrat intercanviat d'ions, un substrat de vidre transparent tecnològicament rellevant que s'utilitza àmpliament en pantalles tàctils (p. ex. telèfons intel·ligents).• Una tècnica de dewetting de metall de baixa temperatura per obtenir recobriments nanoestructurats antimicrobians transparents en un substrat de vidre de coberta per mòduls de visualització. La durabilitat dels recobriments es va avaluar en condicions dissenyades per simular casos d'ús del món real com ara pantalles tàctils capacitives. Els resultats mostren que els recobriments eren capaços de retenir substancialment les propietats òptiques del substrat subjacent, com ara la boirina, el color neutre i la transmissió de llum visible, així com retenir les propietats antimicrobianes després de contacte repetit amb objectes externs com, per exemple, quan es cableja amb una tovallola o un drap, o tocar amb els dits humans.Els resultats d'aquesta tesi demostren l'aplicació de materials ultraprims i nanoestructurats, com el grafè i els metalls nanoestructurats en una àmplia gamma de substrats transparents tecnològicament rellevants, per mètodes que són industrialment escalables i compatibles amb el processament de baixes temperatures. Al mateix temps, les superfícies estan dissenyades amb funcionalitats òptiques i biològiques avançades que són rellevants per a aplicacions com elèctrodes transparents i recobriments antimicrobians.

Tribunal:
     PRESIDENT: TORRONTEGUI MUÑOZ, ERIK
     SECRETARI: ACÍN DAL MASCHIO, ANTONIO
     VOCAL: TOMZA, MICHAL
Resum de tesi: En aquesta tesi, m'he centrat en la presentació d'eines per quantificar el rendiment dels algorismes de computació quàntica i les seves aplicacions. L'enfocament principal és en dues de les àrees d'aplicació més populars de la computació quàntica, l'aprenentatge automàtic quàntic i la química quàntica. Per a això, analitzo les propietats dels models d'aprenentatge automàtic quàntic seguint tècniques estadístiques, que poden ajudar-nos a construir el nostre coneixement sobre les capacitats d'aquests models quàntics. A més, introdueixo l'esquema mestre-alumne com a eina computacional per avaluar el rendiment de diferents models quàntics i les seves capacitats de formació. Fins que estigui disponible una avaluació a gran escala, aquestes eines ens poden ajudar a comprendre el potencial de l'aprenentatge automàtic quàntic i guiar la recerca en la direcció correcta. A continuació, en els últims anys s'ha dedicat un esforç substancial al desenvolupament d'algorismes quàntics per a aplicacions de química quàntica. Presento eines per avaluar la utilitat de diverses combinacions d'algorismes de química quàntica. Realitzo simulacions numèriques extenses en sistemes de mida intermèdia computacionalment assequibles per explorar com els mètodes quàntics poden accelerar tasques de química quàntica. Aquestes obres estableixen una base des de la qual explorar més els requisits per aconseguir avantatge quàntic en la química quàntica. Finalment, discuteixo com la recerca en computació quàntica ha tendit a caure en un dels dos camps: la computació quàntica d'escala intermèdia a curt termini (NISQ) i la computació quàntica tolerant a falles (FTQC). Mitjançant una aplicació de química quàntica, exploro com utilitzar ordinadors quàntics en la transició entre aquestes dues èpoques, coneguda com el règim de computació quàntica tolerant a falles inicial (EFTQC).

Tribunal:
     PRESIDENT: ACUNA, GUILLERMO
     SECRETARI: VAN HULST, NIEK
     VOCAL: ZIJLSTRA, PETER
Resum de tesi: La capacitat d'estudiar la dinàmica de biomolècules de forma individual és crucial per comprendre la complexa organització dels sistemes biològics amb molta més precisió i detall que l'estudi conjunt. En sistemes biològics, la dinàmica de molècules individuals passa sovint en concentracions elevades, on les tècniques òptiques convencionals no són capaces d'aïllar molècules individuals a causa de lleis físiques fonamentals. Aquesta tesi explora el disseny, la fabricació i l'aplicació de plataformes avançades de nanoantenes per estudiar amb més sensibilitat molècules fluorescents individuals a concentracions elevades.En primer lloc, es proporcionen les bases teòriques per entendre les interaccions entre molècules fluorescents i nanoantennes, avaluant la sensibilitat de detecció de molècules individuals mitjançant models analítics i simulacions numèriques. Com a conseqüència d'aquests estudis, les plataformes d'antenna-in-box s'identifiquen com aquelles que proporcionen una detecció superior i s'estableixen els processos de fabricació adequats.En segon lloc, s'aporten resultats computacionals i experimentals que demostren que la combinació de materials a plataformes híbrides d'antenna-in-box millora significativament la sensibilitat de detecció de molècules individuals a concentracions micromolars. Aquestes millores es deuen a la disminució de senyals de fons i l'ús de mecanismes d'acoblament que fins ara no havien estat explorats. A més, es presenten plataformes d'antenna-in-box densament agrupades hexagonalment que permeten la detecció altament paral·lela de molècules individuals. En particular, aquestes plataformes ordenades hexagonalment constitueixen la primera demostració de plataformes d'antenna-in-box capaces de detectar molècules individuals a través del rang espectral visible.Finalment, es presenta un enfocament correlatiu que combina fluorescència no lineal i espectroscòpia vibracional per estudiar l'organització de la membrana plasmàtica de cèl·lules vives amb nanoantenes. Es discuteixen mesures de protecció per garantir la supervivència tant de les nanoantenes com de les cèl·lules vives i se'n comprova l'eficàcia.En resum, aquesta tesi presenta nous enfocaments per estudiar la dinàmica de molècules individuals a altes concentracions amb una sensibilitat millorada gràcies a la modelització analítica i numèrica, tècniques de fabricació innovadores i mètodes experimentals apropiats. Aquests avenços prometen aportar coneixements fins ara inaccessibles sobre la dinàmica dels sistemes biològics.

Tribunal:
     PRESIDENT: FELIX PEREIRA, SILVANIA
     SECRETARI: ARTIGAS GARCIA, DAVID
     VOCAL: VOGL, ULRICH
Resum de tesi: A mesura que el món avança cap a tecnologies i dispositius cada vegada més miniaturitzats i complexos, la necessitat d'eines d'imatge i metrologia per a la caracterització precisa de materials i el control del procés de fabricació està augmentant en conseqüència. Per a estructures i mostres altament transparents i ultrafines (per exemple, recobriments òptics, estructures litogràfiques o cèl·lules biològiques), les tècniques d'imatge basades en la intensitat es queden curtes a causa del contrast insuficient, així com per no proporcionar informació quantitativa.Per superar aquestes limitacions, ha sorgit el camp de la imatge de fase, basat en la superposició i la interferència de la llum. Per tal de crear contrast d'imatge, les imatges de fase no aprofiten els canvis d'intensitat, sinó més aviat, com el seu nom indica, els canvis en la fase de l'ona electromagnètica. Amb una llarga trajectòria, i premis Nobel atorgats el 1953 al "microscopi de contrast en fase" de Zernike i 1971 als mètodes hologràfics de Gabor, el camp ha evolucionat a "imatge de fase quantitativa" (QPI, de l’anglès “quantitative phase imaging”), utilitzant mètodes i configuracions sofisticats per controlar i manipular l'estat de la llum per tal de recuperar la informació de fase quantitativament. En aquest sentit, la categoria de tècniques de “camí comú” (“common-path” en anglès) prometen dispositius d'imatge adaptables, compactes, robustos ieconòmiques, que permeten l'ús en aplicacions industrials fora d'un entorn de laboratori ben controlat.En aquesta tesi, descriurem el desenvolupament i les innovacions tecnològiques d'una plataforma d'imatge de fase “common-path” basada en la tecnologia “lateral-shearing interferometric microscopy” (LIM). Implementarem i adaptarem la plataforma a diverses configuracions òptiques, per exemple, la generació d’imatges d’una área gran sense l’ús de lents i la generació imatges microscòpiques d'alta resolució. També demostrarem el rendiment i la versatilitat de la plataforma explorant diferents aplicacions, amb un enfocament a la ciència de materials i la fabricació.En concret, realitzarem imatges volumètriques dels canvis més petits de l'índex de refracció (RI, de l’anglès “refractive index”) escrits per làser de femtosegon dins del vidre. A continuació, es caracteritzará pel·lícules semitransparents d'or ultrafina, utilitzant imatges multiespectrals d'intensitat i fase, que ens permetran determinar el RI complex de pel·lícules amb diferent gruix. Per últim, aplicarem la plataforma a la imatge de graus de curat i canvis RI en fotopolímers, com els que s'utilitzen en impressió 3D basada en resina. Altres aplicacions de la plataforma podrien incloure metrologia de superfície, imatges de materials 2D, així com imatges quantitatives de fase per a aplicacions en biologia i en imatge cel·lular, amb la possibilitat d'integrar tota la plataforma en un complement compacte que es podria afegir a qualsevol microscopi comercial.En resum, aquesta tesi posarà de manifest el significatiu potencial de la imatge en fase tant en entorns de recerca com industrials, possible gràcies a la compacta plataforma d'imatge en fase proposada. El treball construeix les bases per a futures innovacions i desenvolupaments amb un impacte potencialment durador en la indústria de la fotònica.

Tribunal:
     PRESIDENT: SCHRECK, FLORIAN EBERHARD
     SECRETARI: DE RIEDMATTEN, HUGUES
     VOCAL: WEITENBERG, CHRISTOF
Resum de tesi: El desenvolupament dels microscopis de gasos quàntics ha revolucionat el camp de la simulació quàntica amb àtoms ultrafreds. Més concretament, la capacitat d'observar i manipular gasos quàntics degenerats en xarxes òptiques a nivell d'una sola partícula ha aportat noves maneres d'explorar i dissenyar sistemes quàntics de molts cossos. Fins ara, la majoria d'aquests sistemes s'han centrat en els àtoms alcalins. La combinació de la microscòpia de gasos quàntics amb les propietats dels àtoms alcalinoterris, com l'estronci, dona lloc a interessants línies de recerca. En aquesta tesi, informem sobre el disseny i construcció d'un microscopi de gasos quàntics d'estronci. Els resultats d'aquesta tesi es poden dividir en tres parts. A la primera part, ens centrem en l'acumulació d'àtoms a la cel·la científica i desenvolupem una estratègia per augmentar el nombre d'àtoms en trampes magneto-òptiques d'àtoms d'estronci que operen en la transició de 461 nm. Aquesta estratègia pobla ressonantment un estat reservori de curta vida, blindant parcialment el núvol atòmic de les pèrdues al cicle de refredament. Demostrem un augment en un factor 2 en el nombre d'àtoms per als isòtops bosònics Sr-88 i Sr-84, i l'isòtop fermiònic Sr-87, mostrant la captura eficient d'aquests isòtops al nostre experiment. La nostra tècnic es pot implementar fàcilment a la majoria dels experiments amb estronci, atès que la transició de blindatge s'utilitza habitualment per al refredament posterior. En el nostre cas, l'estratègia de blindatge facilita la generació de condensats de Bose-Einstein. La segona part de la tesi presenta la generació de gasos quàntics degenerats de fins a 200000 àtoms. Després de resumir els passos de refredament necessaris, estudiem la formació de condensats de Bose-Einstein durant el refredament evaporatiu al nostre experiment. L'anàlisi de l'evolució de la mida horitzontal i vertical dels nostres núvols quàntics en caiguda lliure condueix a la característica expansió asimètrica que comparem amb la teoria per als nostres paràmetres experimentals. També mostrem la generació de condensats de Bose-Einstein més petits de menys de 20000 àtoms amb l'ajuda d'un potencial de fulla de llum. Amb aquest confinament altament anisòtrop podem considerar els nostres condensats de Bose-Einstein bidimensionals per a números d'àtoms de l'ordre de 1000. A la tercera part demostrem l'obtenció d'imatges amb resolució d'un sol node d'un gas quàntic bosònic de Sr-84 en un potencial de xarxa òptica en règim de Hubbard. Confinem el gas quàntic mitjançant una xarxa òptica bidimensional i el potencial de fulla de llum abans esmentat, tots dos operant a la longitud d'ona màgica del rellotge d'estronci. Un objectiu d'imatge d'alta obertura numèrica permet obtenir imatges de fluorescència amb una resolució de resoltes en un sol àtom i un sol node mitjançant la dispersió de fotons a l'àmplia transició de 461 nm de l'estronci, alhora que es realitza un refredament eficaç de Sísif atractiu dels àtoms en una transició més estreta. Reconstruïm l'ocupació atòmica dels nodes de la xarxa a partir de les imatges de fluorescència, obtenint fidelitats d'imatge superiors al 94%. Finalment, realitzem un superfluid de Sr-84 al règim de Bose-Hubbard i observem el seu patró d'interferència característic després de l'expansió lliure al full de llum amb resolució d'un sol àtom. El nostre microscopi de gasos quàntics d'estronci proporciona una nova plataforma per estudiar models Hubbard dissipatius i efectes cooperatius en la interacció àtom-llum a nivell microscòpic. A més, la capacitat de capturar també l'isòtop fermiònic Sr-87 aplana el camí per generar gasos de Fermi degenerats amb simetria SU(N) i estudiar el magnetisme quàntic SU(N).

Tribunal:
     PRESIDENT: MIHI, AGUSTIN
     SECRETARI: GARCÍA DE ARQUER, FRANCISCO PELAYO
     VOCAL: DI STASIO, FRANCESCO
Resum de tesi: Els termistors, principalment formats per VOx, a-Si i Si/Se QWs, constitueixen un dels elements principals de la tecnologia bolomètrica, crucial en el camp de la detecció tèrmica sense refredament aplicada en termografia, inspecció industrial, monitoratge i vigilància. El seu creixement constant requereix la investigació de nous materials i la millora contínua de les estratègies de desenvolupament dels dispositius. Recentment, la comunitat científica, avalada pel premi Nobel de Química, ha reconegut l’ús de punts quàntics en dispersió col·loidal (CQDs) com una tecnologia rupturista. Les seves propietats variables han portat a la creació de dispositius innovadors com ara fotodetectors, cel·les solars i làsers. Addicionalment, el brot de COVID-19 ha realçat la necessitat urgent de disposar de dispositius de detecció tèrmica compactes i econòmics, emfatitzant la importància dels detectors tèrmics sense refredament per al benestar de la humanitat. Aquesta tesi investiga l’ús de CQDs com a nous materials per a bolòmetres d’infrarojos (IR). Les pel·lícules formades amb CQD de diferents mides van ser examinades pel seu comportament depenent de la temperatura, revelant una dependència entre la mida dels CQDs i la resistivitat i el coeficient tèrmic de resistència (TCR) i exhibint una pujada abrupta d’aquests paràmetres en els QDs més petits (<4.5 nm). Els dispositius de geometria lateral preparats van mostrar valors de TCR > 4 %/K, però amb valors de resistivitat (resistència) alts > MΩ (< GΩ). Per modular eficientment l’energia d’activació (Ea) i el TCR es va dissenyar una estructura formada a partir de pel·lícules amb QD de diferents mides apilades alternativament unes sobre altres, anomenada estructura QPBT, per actuar com a barrera de potencial. Aquesta configuració va permetre la modulació precisa del panorama d'energia potencial dels transportadors de càrrega. S’ha descobert que diversos paràmetres geomètrics com ara l'altura, l'amplada i el nombre de capes de barrera afecten el seu rendiment. Aquesta estructura també ajuda en la mitigació de la resistència de píxel alta amb la geometria lateral. Per l’absorció d’IR s’ha desenvolupat un absorbent metamaterial plasmònic de tipus metall-aïllant-metall (MIM-PMA) emprant els QDs com a separadors dielèctric de l’estructura. S'han estudiat dos tipus de geometries absorbents i s'han presentat simulacions basades en FDTD juntament amb els resultats de les estructures fabricades. El primer tipus de geometria utilitza un tipus de QD com a capa dielèctrica i està dissenyat per ajustar-se sobre l'estructura QPBT per realitzar la conversió de llum a calor a través de la ressonància plasmònica. La segona geometria utilitza l'estructura QPBT mateixa com a capa dielèctrica i, per tant, integra les estructures absorbents i termistores per simplificar el procés de fabricació, a més a més d’aportar altres avantatges distintius. Altrament, s'ha demostrat la integració de les estructures QPBT i MA. La facilitat d'integrar components basats en CQDs va permetre la fabricació de dispositius totalment funcionals. Els dispositius van mostrar una resposta ràpida amb un temps de resposta d'aproximadament ~4 ms i una detectivitat màxima d'aproximadament ~104 Jones. Tot i que els dispositius van presentar una detectivitat més baixa que els bolòmetres comercials, es preveu una millora en el rendiment del dispositiu mitjançant una optimització addicional de la geometria del dispositiu. En resum, aquesta tesi explora la idoneïtat dels QDs per a la tecnologia bolomètrica, establint les bases per expandir els horitzons de la tecnologia QD. Aquest estudi contribueix en el continu progrés i millora dels dispositius d’escaneig d’IR sense refredament i aplana el camí al desenvolupament de la tecnologia bolomètrica d’IR de baix cost i l’ampliació de la seva divulgació.

Tribunal:
     PRESIDENT: MARTÍN BLANCO, ENRIQUE
     SECRETARI: DURDURAN, TURGUT
     VOCAL: PEREZ BROWNE, MARCOS FRANCISCO
Resum de tesi: El característic sistema de locomoció del Caenorhabditis elegans (C. elegans) ofereix una plataforma única d’estudi de postures complexes i comportaments motrius. En aquest treball, vaig investigar els patrons de locomoció de C. elegans en diferents etapes vida i contexts genètics, mitjançant l’ús d’un sistema de seguiment d’individus i de tècniques d’anàlisi avançades. Vaig dur a terme una examinació exhaustiva del comportament locomotor d’aquests cucs mitjançant l’aproximació de l’”eigenworm”. Els “eigenworms”són els components principals de l’espai postural dels animals, i vaig identificar-ne uns d’específics associats a moviments cap endavant, girs i arronsaments exagerats del cos. Vaig poder veure que els animals mutants en espectrina mostrava una forta correlació entre el seu arronsament i un eigenworm específic pels girs en els no mutants. Aquests descobriments suggereixen que els eigenworms proporcionen un marc universal per a comparar diferents tipus de moviments, i permeten avaluar els efectes de diferents mutacions genètiques en la locomoció, obrint un nou camí per a una anàlisi més exhaustiva del comportament de l’animal, especialment quan es combina amb estudis sobre xarxes neuronals.D’altra banda, vaig investigar el paper de la propriocepció en la coordinació de les activitats motores dels C. elegans emprant diferents models genètics. La meva recerca es va centrar en els mecanismes que governen la realimentació proprioceptiva, incloent els estressos mecànics i les senyalitzacions neuronals. Els resultats indiquen que la xarxa d’espectrina –un component del citoesquelet - associada a una interneurona proprioceptiva DVA –modulador dels estats de tensió i compressió de l’organisme -, serveix com a determinant crític de la seva postura. Curiosament, es va observar una semblança extraordinària entre els animals que envelleixen prematurament i els mutants de β-espectrina, on tots dos es movien doblegant-se amb una curvatura exagerada. A més, vaig demostrar que les neurones proprioceptives que codifiquen la postura corporal presenten alteracions estructurals i funcionals que depenen de l’edat. És destacable que l’espectrina juga un paper clau en el manteniment de la integritat proprioceptiva durant l’envelliment.Addicionalment, vaig investigar les vies moleculars subjacents als defectes proprioceptius associats a l’envelliment, particularment, el paper de la proteasa CLP-1 en l’escissió d’UNC-70/β-espectrina. La supressió condicional o pan-neuronal de la CLP-1 en la interneurona DVA va revelar comportaments locomotors alterats, es pot suggerir que la CLP-1 regula l’espectrina durant la neurodegeneració associada a l’edat. Finalment, vaig explorar l’efecte de l’expressió ectòpica d’αβ-cristal·lina dels humans durant l’envelliment, on em vaig basar en la hipòtesis de que una petita proteïna de xoc tèrmic (sHsp) que conté l’αβ-cristal·lina (HSPB5), estabilitza la β-espectrina i la protegeix de la degradació proteolítica de la CLP-1 durant l’envelliment. Així mateix, vaig expressar ectòpicament el mutant 3E constitutivament actiu de l’αβ-cristal·lina de manera pan-neuronal i específica en DVA; mitjançant l’anàlisi de la locomoció dels animals des de l’edat adulta jove fins 6 dies més tard, vaig observar un rescat modest del patró del comportament en ambdós tipus de mutants. Així, especulem que l’αβ-cristal·lina pot unir-se als dominis/residus de la proteïna UNC-70 vulnerables a la proteòlisi, proporcionant protecció contra proteases com CLP-1. En conjunt, aquests descobriments contribueixen a la nostra comprensió dels mecanismes proprioceptius importants per l’envelliment, oferint noves perspectives sobre potencials dianes terapèutiques contra malalties neurodegeneratives relacionades amb l’edat.

Tribunal:
     PRESIDENT: DÜRR, STEPHAN CLAUS
     SECRETARI: CHANG, DARRICK
     VOCAL: ADAMS, CHARLES STUART
Resum de tesi: Els fotons han sorgit com els principals candidats per transportar informació quàntica a causa de la seva feble interacció amb el medi ambient. Malauradament, la seva interacció limitada entre ells planteja reptes per al processament de la informació quàntica fotònica. Una de les possibles solucions rau en el comportament únic de les excitacions de Rydberg interactuants en conjunts atòmics freds, on les fortes no linealitats permeten interaccions d'enginyeria entre fotons individuals. Aquest fenomen fa que els conjunts de Rydberg siguin una plataforma prometedora per a aplicacions d'informació quàntica, especialment en la comunicació quàntica de llarga distància. Aquesta tesi presenta una sèrie d'experiments que exploren i exploten les interaccions mediades per Rydberg, tots amb l'objectiu a llarg termini de construir un repetidor quàntic eficient. La tesi comença amb una visió general concisa de la teoria de Rydberg i la física de conjunts atòmics. Tot seguit s'explica la configuració experimental. Parlo de com, a partir d'una configuració existent anteriorment, hem millorat l'estabilitat i les propietats espectrals del nostre sistema làser, juntament amb la millora de la qualitat del conjunt atòmic. La secció introductòria de la tesi conclou amb una descripció de dos mètodes diferents de generació de fotons únics i una revisió en profunditat de diversos mecanismes de decoherència que afecten les excitacions del conjunt de Rydberg. El rendiment de la generació de fotons únics s'ha millorat amb les modificacions implementades a la configuració, donant lloc a taxes de generació més altes i una millor puresa dels fotons únics. Amb el suport de dades experimentals i una anàlisi acurada dels paràmetres experimentals, identifiquem les fonts més probables de decoherència significativa i proposem estratègies potencials per a la seua mitigació. En el nostre experiment inicial, aconseguim l'emmagatzematge i la posterior recuperació dels fotons únics sota demanda. Aquest fotó es genera mitjançant l'excitació col·lectiva dels estats de Rydberg en un conjunt atòmic fred i s'emmagatzema en una memòria quàntica de Raman de baix soroll situada en un altre conjunt atòmic fred. Els nostres resultats mostren la capacitat d'emmagatzemar i recuperar aquests fotons únics mantenint una alta relació senyal-soroll de fins a 26 i conservant fortes característiques antiagrupament. En el segon experiment, demostrem per primera vegada una interacció i emmagatzematge de fotons únics en un medi altament no lineal basat en àtoms freds de Rydberg. Utilitzem el protocol DLCZ en un conjunt atòmic fred per crear fotons únics, guiant-los a un altre conjunt per emmagatzemar-los en un estat de Rydberg molt excitat en condicions de transparència induïda electromagnèticament. En estudiar les estadístiques de la llum recuperada dels àtoms de Rydberg, mostrem per primera vegada el filtratge del fotó únic amb llum no clàssica d'entrada. A més, mitjançant la simulació de Monte Carlo, obtenim una comprensió intuïtiva de l'efecte del bloqueig (parcial) de Rydberg sobre la distribució d'estat de Fock dels polsos arbitraris de llum d'entrada. Això ens permet concloure que la resposta del medi està determinada per la distribució d'estat de Fock d'entrada, la qual cosa confirma la comprensió establerta de la no linealitat del conjunt de Rydberg. Els resultats presentats en aquesta tesi afirmen el potencial dels conjunts de Rydberg per convertir-se en elements centrals de futures xarxes quàntiques, tant com a fonts de fotons individuals com nodes de processament. A més, els resultats auxiliars proporcionen una comprensió addicional de la física del conjunt de Rydberg i ofereixen una visió de les limitacions que hem de superar per millorar encara més la nostra configuració.

Tribunal:
     PRESIDENT: POCCIA, NICOLA
     SECRETARI: KOPPENS, FRANK
     VOCAL: TÖRMÄ, PÄIVI
Resum de tesi: L'estudi de la materia fortament correlacionada en materials bidimensionals ha sorgit com una perspectiva engrescadora per a l'exploració de la física de la materia condensada, així com el disseny de nous dispositius . L'enginyeria de moiré, on les capes 20 presenten un angle de gir intercapa, ha demostrat ser una potent eina per a induir correlacions electróniques . En el graté bicapa ton;:ada d'angle magic (MATBG en anglés), un angle de gir de 1.1º entre les capes de graté genera un patró de moiré o superxarxa. Una banda electrónica plana apareix a nivel! de Fermi, en la qua! poden sorgir una varietat de fases quantiques de molts cossos impulsades per la interacció.Una altra via per a estudiar correlacions electróniques en 20 és l'exfoliació al límit atómic de materials 30 intrínsecament correlacionats .L'estudi optoelectrónic de sistemes fortament correlacionats en heteroestructures 20 destaca com una eina molt útil, ja que pot proporcionar informació tant sobre les propietats de transport electrónic com sobre la interacció fonamental llum-matéria en aquests sistemes. En aquesta tesi, estudiem dos materials 20 fortament correlacionats : MATBG i el cuprat superconductor Bi2Sr2CaCu208-delta (BSCC0-2212) . Aprofitem diferents técniques optoelectróniques per estudiar les propietats fonamentals deis electrons correlacionats en les bandes planes MATBG i el potencial de les capes bidimensionals BSCC0-2212 per a aplicacions en la detecció quantica .En primer lloc, investiguem l'espectre electrónic de les bandes planes MATBG mitjani;:ant l'estudi del seu transport termoeléctric. Utilitzem una excitació óptica per induir un gradient térmic, que al seu torn genera un corren! de carrega . L'anomalia observada en la termoelectricitat de MATBG constata la coexistencia de portadors de carrega localitzats i deslocalitzats en les bandes planes correlacionades.A continuació, estudiem la dinamica de refrigeració per portadors calents a les bandes planes de MATBG, una técnica de mescla de lasers continus amb resolució de freqüéncia. Observem que els portadors calents poden relaxar la seva energia eficientment a temperatures criogeniques, al contrari que en les mostres de grate bicapa. Proposem un mecanisme nou per a la dispersió entre electrons i fonons en MATBG, basat en un procés Umklapp que sorgeix a conseqüéncia del potencial de moiré.Finalment, explorem el desenvolupament de fotodetectors superconductors d'alta temperatura basats en flocs ultrafins de BSCC0-2212. Fabriquem mostres d'alta qualitat que exhibeixen un notable rendiment en longituds d'ona de telecomunicacions . Observem una resposta bolometrica rapida i sensible a T = 77 K, tant en guies d'ones com en espai lliure. A més, vam demostrar la detecció de fotó únic a altes temperatures (T = 20 K) a través d'una resposta d'allau no bolometrica .

Tribunal:
     PRESIDENT: VOLPE, GIOVANNI
     SECRETARI: ACÍN DAL MASCHIO, ANTONIO
     VOCAL: VAN NIEUWENBURG, EVERT
Resum de tesi: La integració de la intel·ligència artificial a la recerca accelera el progrés cap a nous descobriments en tot l’'àmbit científic. Les eines d’'intel·ligència artificial contribueixen al desenvolupament de noves teories i coneixements processant grans quantitats de dades, guiant l’'exploració i la formulació d'’hipòtesis, millorant els experiments i, fins i tot, fent possible descobriments automàtics. En aquesta tesi, aprofitem el poder de l’'aprenentatge automàtic (“"machine learning”"), un camp de la intel·ligència artificial, per estudiar sistemes no-deterministes, que es troben entre els més difícils de caracteritzar.Per una banda, tractem problemes inherents a l’'estudi de sistemes quàntics i del desenvolupament de noves tecnologies quàntiques. La física quàntica planteja reptes formidables derivats de la complexitat exponencial amb la mida del sistema considerat, en combinació amb una naturalesa intrínsicament estocàstica i la presència de correlacions complexes entre elements del sistema. Per tractar alguns d’'aquests reptes, fem servir aprenentatge de reforç (“"reinforcement leraning”"), una tècnica de l'aprenentatge automàtic capaç d’'explorar grans espais d'’hipòtesis. Per exemple, empleant aquestes tècniques, s'’ha aconseguit superar als millors jugadors del món en jocs complexes com el Go, que presenten característiques similars a problemes emergents en l’'estudi de la quàntica. En el nostre cas, desenvolupem mètodes per simplificar problemes complexes comuns en els camps de la matèria condensada i de la informació quàntica de forma sistemàtica, i disenyem protocols robustos de cal·libració d’'ordinadors quàntics.Per l’altra banda, ens dediquem a la caracterització de processos estocàstics complexes, com és la difusió. Entendre els processos de difusió és essencial per descobrir els mecanismes físics i biològics que els governen, el que comporta l’'anàlisi de trajectòries estocàstiques descrites per partícules per tal d’extruere’n paràmetres significatius del sistema. Aquest anàlisi, però, presenta grans reptes des de l’'adquisició de les trajectòries fins al seu estudi posterior que provenen, principalment, de la combinació de la seva naturales aleatòria, amb la presència de dinàmiques complexes i altres inconvenients experimentals, com ara el soroll. Utilitzant tècniques d’aprenentatge automàtic, desenvolupem algoritmes per analitzar aquestes trajectòries i extreure’n els paràmetres d’interès acuradament, fins i tot quan aquests canvien amb el temps. Després, utilitzem aquests algoritmes per estudiar diferents experiments en sistemes biològics i, també, per estudiar les trajectòries descrites per usuaris navegant una pàgina de comerç online. En aquest últim cas, en comptes d'extreure paràmetres físics, inferim si l'usuari farà una compra abans de tancar la sessió.

Tribunal:
     PRESIDENT: KAMINER, IDO
     SECRETARI: DE RIEDMATTEN, HUGUES
     VOCAL: AHUFINGER BRETO, VERÓNICA
Resum de tesi: El començament del segle passat va ser el punt de partida de la primera revolució quàntica, un període caracteritzat per descobriments innovadors que van culminar amb l'establiment de la mecànica quàntica. Amb el pas del temps, aquests conceptes abstractes introduïts en aquesta nova branca de la física, van evolucionar cap a dispositius que s'han convertit en indispensables en el nostre dia a dia. Aquesta evolució tecnològica ha impulsat l'era en la qual vivim, centrada en l'intercanvi i l'adquisició d'informació, cimentant l'actual segona revolució quàntica. El seu objectiu és aprofitar la ciència de la informació quàntica, que utilitza les propietats de la mecànica quàntica per impulsar avanços en el processament de la informació, la comunicació i la computació, donant lloc a tecnologies quàntiques revolucionàries.Per l'avanç de les tecnologies quàntiques és primordial l'exploració dels ano-menats estats no clàssics, és a dir, manifestacions físiques que mostren comportaments diferents als predits per la física clàssica, i que requereixen la mecànica quàntica per a la seva explicació. La manipulació i generació d'aquests estats limita les capacitats de progrés de les tecnologies quàntiques. És, per tant, fonamental idear metodologies que tinguin com a objectiu generar i controlar estats no clàssics. En aquest context, el camp de la fotònica emergeix com una plataforma prometedora per la seva robustesa i excepcional maneig d'aquest tipus d'estats.En base als motius explicats anteriorment, aquesta Tesi adopta un enfocament dual. En primer lloc, ens endinsem en la generació d'estats no clàssics de la llum mitjançant processos que involucren camps intensos. Aquests processos involucren interaccions entre la llum i la matèria amb intensitats lluminoses capaces de competir amb les forces atòmiques que mantenen els electrons units als seus nuclis. El nostre anàlisi demostra la utilitat que aquests processos de camps intensos tenen sobre la generació d'estats no clàssics de la llum, els quals mostren característiques d'interès depenent dels processos particulars que tinguin lloc, així com de les característiques del material involucrat en l'excitació. En segon lloc, investiguem les limitacions i requisits de les fonts de llum generadores d'estats no clàssics, més enllà de les derivades de l'anàlisi de camps intensos, amb respecte als seus possibles avanços en el camp de la comunicació quàntica. En particular, analitzem la distribució quàntica de claus, amb l'objectiu de generar una clau secreta coneguda exclusivament per les parts comunicants per tal d'encriptar i desencriptar missatges.Així doncs, aquesta Tesi es pot entendre com un pas inicial per aprofitar la física de camps intensos com una eina potencial per a la ciència de la informació quàntica, així com una exploració sobre els avanços i limitacions de sistemes basats en la fotònica per a la criptografia quàntica.

Tribunal:
     PRESIDENT: RUBIO VERDÚ, CARMEN
     SECRETARI: GONZALEZ TUDELA, ALEJANDRO
     VOCAL: WEITENBERG, CHRISTOF
Resum de tesi: Durant les últimes tres dècades, els àtoms ultrafreds atrapats òpticament han servit com a plataforma versàtil per a l'exploració controlada de nombrosos fenòmens de matèria condensada. L'èxit de la fabricació del grafè de bicapes rotades en angle màgic (magic angle twisted bi-layer graphene, MATBG) n’ha introduït una per als físics de matèria condensada, mentre que al mateix temps planteja un nou repte per a la comunitat en simulació quàntica. Aquesta tesi es dedica a abordar aquest problemàtica dins dels seus tres capítols inicials, centrant-se principalment en la simulació de les estructures MATBG utilitzant àtoms ultrafreds.Per superar la qüestió de l'expansió de la cel·la unitària resultant de la desalineació de la rotació, en el primer capítol proposem el concepte de "twist-less twistronics ". Aquesta noció innovadora implica substituir la rotació física d'una capa per salts en l’amplitud de llum modulada entre les capes. Aquest enfocament produeix bandes quasi planes activades per l'arquitectura d'àtoms ultrafreds, un ingredient fonamental per als fenòmens col·lectius observats en MATBG, aconseguit a mides per les cel·les unitàries significativament reduïdes.El capítol inicial també presenta la configuració experimental adequada. A més, proporciona un marc teòric exhaustiu, que inclou càlculs d'unió estreta i models efectius derivats de l'anàlisi pertorbativa. El segon capítol s'aprofundeix en les propietats topològiques d'un sistema anàleg, emfatitzant la separació d'energia entre les bandes quasi planes i l'espectre resultant. Demostrem l'efecte Hall quàntic anòmal a través de diversos règims de paràmetres, acompanyats d'un diagrama de fases exhaustiu respecte als paràmetres sintonitzables.En el tercer capítol, estenem la nostra investigació per incloure interaccions atractives densitat-densitat entre els àtoms de reticles in-situ. Utilitzant l'aproximació de camp mitjà Hartree-Fock-Bogoliubov, considerem tots els canals d'interacció factibles dins/entre capes i espins. Aquest capítol pretén dilucidar la relació entre l'aplanament de banda, un paràmetre totalment controlat en el nostre sistema, i l'aparició/mida d'un buit superconductiu. Notablement, descobrim una millora substancial en la temperatura crítica (Kosterlitz-Thouless) dins del règim de banda quasi plana a ompliment d’un quart, juntament amb un diagrama exhaustiu que il·lustra els paràmetres d'ordre superconductor corresponents a cada canal d'interacció.El quart capítol marca un desviament de les simulacions de matèria condensada, aprofundint en la "informàtica quàntica de propòsit especial" dins del context de les bateries quàntiques. Aquests dispositius, anàlegs als seus homòlegs clàssics, emmagatzemen i alliberen energia sota demanda, un procés inherentment governat per la bateria hamiltoniana. El nostre treball estableix un nou marc per avaluar el rendiment quàntic de la bateria i establir límits fonamentals en dos atributs clau: potència i capacitat. Investiguem els termes hamiltonians essencials per aconseguir l'acceleració quàntica en la càrrega de la bateria.L'últim capítol, cinquè, descriu les eines teòriques, que s'han utilitzat per donar suport a la primera realització experimental del model de Bose-Hubbard ampliat amb excitons dipolars. Es discuteixen els paràmetres d'interessos i els observables importants, com ara un factor d'estructura, i es discuteix tant la diagonalització exacta com els mètodes del camp mitjà, que eren necessaris per verificar l'observació de fases fortament correlacionades per la meitat i l'ompliment i onpliment complert.

Tribunal:
     PRESIDENT: WEGMANN, SUSANNE
     SECRETARI: CAMPELO AUBARELL, FELIX
     VOCAL: OREN, MEITAL
Resum de tesi: En els darrers anys, el nostre coneixement sobre els canals iònics i els receptors que orquestren la transformació dels estímuls físics en senyals fisiològics ha experimentat un creixement notable. Es desconeix però, el mecanisme exacte pel qual l'estrès mecànic arriba als mecanosensors moleculars. Tot i que és generalment reconegut que molts canals iònics mecanosensibles responen a l'augment de tensió de la membrana plasmàtica, evidències recents destaquen el paper crític que juga el citoesquelet dins de les cèl·lules sensorials. En el marc d'aquesta tesi, vàrem abordar com els animals perceben l'estrès mecànic, en particular durant el sentit del tacte, centrant-nos en les neurones receptores del tacte del nematode Caenorhabditis elegans. Durant una dècada, s'ha postulat que les subunitats que constitueixen el porus dels canals iònics mecanoelèctrics formen una connexió amb el citoesquelet a través d'una proteïna altament conservada, coneguda com a MEC-2, la qual mostra similituds estructurals amb l'estomatina. El nostre estudi evidencia que MEC-2 s'agrega en condensats líquids que experimenten un canvi de rigidesa en el temps. Aquests condensats transicionen des d'una fase líquida, que permet el transport intracel\textperiodcentered lular al llarg de les neurones, fins a un estat sòlid que exhibeix activitat mecanoelèctrica. D'aquesta manera, aportem un nou context fisiològic rellevant en què els condensats biomoleculars modulen la seva funció durant el procés de maduració i faciliten la mecanotransducció neuronal en resposta als estímuls tàctils. Amb l'objectiu d'entendre el paper de MEC-2 en la transmissió de forces, vam desenvolupar un sensor de tensió codificat genèticament, el qual va revelar que únicament els condensats rígids, però no els líquids, són capaços de transmetre forces en un organisme. En aquest estudi, demostrem que aquesta transició no té lloc autònomament, però que és promoguda gràcies a la interacció directa d'un domini ric en prolines situat a la regió C-terminal de MEC-2 amb un domini SH3 específic d'UNC-89, una proteïna homòloga a Titin i Obscurin. Proposem que aquest canvi en rigidesa contribueix a una funció fisiològica vital, en particular, a la transmissió de forces de freqüència variable durant el tacte. En conjunt, els nostres resultats aporten una nova perspectiva sobre el paper de la transició de l'estat líquid a l'estat sòlid de MEC-2 en el reialme de la mecanotransducció. Així mateix, també presentem un nou marc conceptual per comprendre com els animals, en un sentit més ampli, perceben i responen als estressos mecànics.

Tribunal:
     PRESIDENT: BOGGILD, PETER
     SECRETARI: PRUNERI, VALERIO
     VOCAL: COLETTI, CAMILLA
Resum de tesi: La llei de Moore, en la indústria dels semiconductors, ha predit el exponencial en la potència de càlcul al duplicar el nombre de transistors cada dos anys. No obstant això, els recents reptes per mantenir aquest ritme, deguts a limitacions físiques, consum energètic i un increment de costos de producció, han impulsat un canvi de focus cap als materials bidimensionals (2D). Aquesta tesi pretén contribuir al millor enteniment i resolució de les complexitats d'incorporar materials 2D, com ara el grafè (Gr), els dicalcogenurs de metalls de transició(TMD) i el nitrat de bor hexagonal (hBN), en plataformes de Metall-Òxid-Semiconductor Complementari (CMOS), obrint pas a dispositius optoelectrònics innovadors amb una funcionalitat millorada per superar aquests reptes.Aquesta tesi investiga el paper crucial dels substrats i encapsulants en heterostructures basades en Gr, destacant el seu impacte en les característiques del transport electrònic, com ara la histèresi (∆n), la mobilitat (µ) i la concentració residual de càrrega (n*). A causa de la qualitat i complexitat d'integrar grans àrees de hBN de manera escalable, aquesta tesi explora la utilització de TMDs com el diselenur de tungstè(WSe2) i el disulfur de tungstè(WS2) com a substrat i encapsulant, respectivament, del Gr. Les heterostructures híbrides fabricades amb WSe2/Gr/hBN i WS2/Gr/hBN van exhibir alts valors de µ, ~ 170.000 i 140.000cm2V-1s-1 amb una n* de 7 i 8 x 1010cm-2. Aquest estudi destaca la importància de l'enginyeria del substrat, particularment per WS2. També estableix una demostració de l'eficàcia del WS2 tractat químicament com a encapsulant del Gr, així com el seu paper com a dielèctric. Els dispositius tractats van exhibir una estabilitat i una resistència remarcables, donant lloc a una baixa ∆n ~ 2 x 109cm-2 amb una µ de 62.000cm2V-1s-1 i n* 1,7 x1011cm-2.El creixement exponencial dels usuaris d'internet i del trànsit de dades necessita un increment de les capacitats de banda ampla en els sistemes de comunicació. Els transceptors òptics juguen un paper fonamental per satisfer aquesta demanda, especialment en centres de dades i xarxes de banda ampla. Aquesta tesi es centra en els components crucials dels transceptors òptics, específicament en els FDs. Per fer front a aquest desafiament, aquesta tesi explora un fotodetector (FD) foto-termoelèctric(PTE) de Gr encapsulat amb WSe2 en una guia d'ones. Després d'un anàlisi exhaustiu del disseny del dispositiu, els FDs, fabricats en diferents longituds, van exhibir una responsivitat de fins a ~12V/W (llarg) o 0,1A/W i ~32mA/W o 18V/W (curt) amb una amplada de banda limitada pel sistema de 110GHz. Els PDs també van demostrar la detecció directa de senyals òptics NRZ i PAM-4 fins a 120 i 160Gbps.En el camp de les telecomunicacions sense fils, els esforços s'han de dirigir cap a augmentar la freqüència de dades per acomodar el creixent trànsit de dades (llei d'Edholm). Es preveu que els dispositius sense fils proposats per al 6G aconsegueixin freqüències de dades de fins a 1 Tbps. Per superar els problemes de velocitat, aquesta tesi proposa explorar el rang terahertz (THz), amb el focus posat en la finestra sub-THz (200-300GHz), que exhibeix una atenuació inferior a la requerida per a aplicacions sense fils de curt abast (<200m). Hem realitzat una extensa investigació i optimització del rendiment d'un FD de Gr basat en PTE utilitzant diversos encapsulants. D'entre aquests, els FDs de Gr encapsulats amb hBN van exhibir un rendiment superior comparat amb els seus equivalents (FDs amb Gr CVD), amb una elevada responsivitat ~240 (30) V/W i una baixa potència equivalent de soroll (NEP) ~1 (9) x 10-11W/√Hz. Els FDs fabricats van exhibir una amplada de banda 1,9GHz, permetent freqüències de dades de 2Gbps. Finalment, vam desenvolupar un receptor basat en Gr, establint una comunicació sense fils sub-THz eficientment que va aconseguir freqüències de dades de fins a 3Gbps per a una distància de 2,5m

Tribunal:
     PRESIDENT: CHALUS, OLIVIER
     SECRETARI: RUBIO VERDÚ, CARMEN
     VOCAL: BAUDISCH, MATTHIAS
Resum de tesi: Comprendre el comportament dels electrons als sòlids i les seves interaccions amb la xarxa és crucial per explorar fenòmens exòtics en la matèria condensada. Les tècniques tradicionals sovint proporcionen coneixements limitats, centrant-se en els suports o les estructures reticulars de forma independent. Per contra, l'espectroscòpia d'absorció de raigs X pot mesurar simultàniament electrons i fonons, especialment amb l'espectre de raigs X suaus continu de banda ampla generat a través d'una alta generació d'harmònics, cosa que facilita l'exploració simultània de la física de electrons i fonons. Tot i això, la forta absorció de les mostres en estat sòlid requereix temps de mesura prolongats. Aquesta tesi presenta les actualitzacions del sistema làser i la línia de llum de raigs X suaus d'attosegons a ICFO, que milloren el flux de fotons detectables i la resolució espectral de l'espectrògraf de raigs X suaus. Aquests avenços permeten investigacions detallades dels fenòmens de transició de fase en materials com el disseleniur de titani (TiSe₂), proporcionant una eina excepcional per comprendre les propietats dels materials a nivell microscòpic i aplanant el camí per a estudis més precisos dels processos dinàmics en la matèria condensada.

Tribunal:
     PRESIDENT: ARCIZET, OLIVER
     SECRETARI: RUBIO VERDÚ, CARMEN
     VOCAL: GRÖBLACHER, SIMON
Resum de tesi: Aquesta tesi aborda el disseny, fabricació i mesures de punts quàntics definits a nanotubs de carboni suspesos. Les vibracions mecàniques del nanotub presenten un acoblament fort als punts quàntics a través del potencial electroestàtic establert per les portes. Caracteritzem tant els punts quàntics com les vibracions mecàniques són fent servir mesures de transport i a través d'un ressonador superconductor de microones en forma d'espiral. Les mostres es fabriquen seguint un nou protocol de nano-fabricació desenvolupat al grup que permet obtenir nanotubs de carboni ultranets, amb una llargada mínima de 560 nm, sobre cinc elèctrodes de porta. L'avantatge d'aquest disseny tan compacte és que permet produir ressonadors harmònics de nanotubs de carboni amb freqüències de ressonància properes al gigahertz, els quals es troben l'estat fonamental de moció a temperatures típiques de criòstat 10 mK. Les nostres simulacions d'elements finits, indiquen que aquest disseny podria apantallar les fluctuacions originades per les càrregues del substrat les quals són les principals responsables del desfasament dels bits quàntics basats en punts quàntics. Els nanotubs de carboni són investigats en un refrigerador de dilució a 30 mK. Localitzem un, dos i, fins i tot, tres punts quàntics a través del potencial electroestàtic creat utilitzant els voltatges dels elèctrodes de porta. Les mesures de transport mostren mapes de distribució de càrrega d'alta qualitat per cadascuna de les configuracions esmenades.En la configuració que presenta dos punts quàntics ens centrem en la transició en la qual un electró oscil·la entre els dos punts quàntics a través d'un efecte túnel quàntic. En aquesta transició, formem un bit quàntic de càrrega l'energia del qual es pot modificar a través de les portes. El punt quàntic és detectat mesurant un ressonador superconductor de microones connectat físicament a un elèctrode de porta que està capacitivament acoblada al moment dipolar elèctric creat pels dos punts quàntics. El ressonador de microones és una espiral de niobi de 100 nm de gruix amb una freqüència de ressonància de 1.475 GHz i una impedància característica de 640 ohms. A l'estar suspès, el nanotub de carboni presenta modes mecànics ultracoherents amb freqüències de ressonància altes, sovint d'entre desenes i centenars de megahertz. Els electrons que travessen els punts quàntics allotjats al ressonador hi exerceixen una força de contraacció sobre el desplaçament que resulta en una reducció de la freqüència de ressonància. En dos dispositius observem un 20% de reducció en la freqüència del primer mode flexural, el qual presenta freqüències de: 240 MHz i 35 MHz. A través de la reducció de la freqüència estimem un acoblament electromecànic de 920 MHz i 500 MHz, que demostra que els dispositius es troben en el règim d'acoblament ultra-fort. Malgrat això, el mecanisme pel qual es produeix aquest acoblament es basa en un procés incoherent de transport electrònic, cosa que impedeix el seu ús per a qualsevol protocol quàntic. El segon mode flexural del nanotub de carboni, que té una freqüència de 515 MHz, presenta un acoblament electromecànic de 410 MHz quan el sistema es troba acoblat al bit quàntic de càrrega. Això demostra que el dispositiu es troba al règim d'acoblament ultra-fort. D'aquest acoblament se'n deriven efectes no linears d'unes 10 vegades la moció de l'estat fonamental, els quals són detectats a través del ressonador de microones que és capaç de percebre el desplaçament al quadrat del ressonador mecànic. Els efectes no-linears observats en aquests dispositius prop de l'estat fonamental de moviment posen de manifest el potencial dels sistemes electromecànics basats en nanotubs de carboni per aplicacions quàntiques que inclouen: un bit quàntic mecànic, l'expansió de la deslocalització del estat fonamental de moció i detecció quàntica.