Tribunal:
     PRESIDENT: AVEZOV, EDWARD
     SECRETARI: KRIEG, MICHAEL
     VOCAL: GERSHLICK, DAVID
Resumen de tesis: El tráfico intracelular, particularmente la secreción de proteínas, presenta numerosas cuestiones no resueltas. Esta tesis tiene como objetivo proporcionar y evaluar herramientas para la investigación cuantitativa de estos procesos mediante microscopía fluorescente. El análisis cuantitativo ofrece dos ventajas principales: la caracterización detallada de las dinámicas moleculares para la comprensión mecanística y las mediciones objetivas para comparaciones precisas entre experimentos.En el Capítulo 1, introducimos la vía secretora, una vía celular responsable de la síntesis, procesamiento, clasificación y entrega de proteínas secretorias al entorno extracelular. En el Capítulo 2, proporcionamos una descripción exhaustiva de las metodologías utilizadas en esta tesis. Incluyen diversas técnicas de microscopía de fluorescencia, análisis de imágenes automatizado y métodos biológicos adaptados a la vía secretora. Las herramientas se seleccionaron para lograr una alta resolución espacial y temporal, permitir el análisis cuantitativo y facilitar la caracterización en células vivas.En el Capítulo 3, utilizamos la imagen de fluorescencia para evaluar objetivamente los resultados en cuatro proyectos que abordan la secreción de proteínas y el tráfico intracelular. Estos incluyen cuantificar la colocalización y proximidad de estructuras, medir diferencias en intensidad fluorescente y caracterizar dinámicas de partículas como nanotúbulos derivados del ERGIC. La preparación consistente de muestras y la adquisición de imágenes, junto con el análisis computacional, son cruciales para obtener resultados precisos e imparciales. El Capítulo 4 se centra en el seguimiento de partículas individuales (SPT) en la vía secretora, proponiendo experimentos de control y descriptores de parámetros para maximizar la calidad de los datos. Hicimos hincapié en las estrategias de marcaje, la imagen y las consideraciones de análisis de datos para obtener resultados fiables.El Capítulo 5 aplicó estas metodologías para estudiar la clasificación de proteínas en el TGN, examinando el papel de los sitios de contacto de membranas ER-Golgi (MCS) en la biogénesis de los transportadores derivados del TGN. Utilizando microscopía de fluorescencia de super-resolución, identificamos regiones de acumulación de carga y realizamos experimentos de SPT, revelando el movimiento confinado y lento de las proteínas de carga cerca de los MCS. Este efecto fue inhibido por el bloqueador de transferencia de lípidos 25-HC, indicando una regulación ascendente de las preferencias de localización de carga por parte de los MCS.

Tribunal:
     PRESIDENT: BUSQUETS FACIABÉN, ALBERT
     SECRETARI: ARTIGAS GARCIA, DAVID
     VOCAL: ARMENDOLA, CATERINA
Resumen de tesis: 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
Resumen de tesis: 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
Resumen de tesis: 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
Resumen de tesis: 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
Resumen de tesis: Entender las relaciones de causa y efecto detrás de las correlaciones observadas es central para nuestra forma de razonar e interactuar con el mundo. Las relaciones de causa y efecto nos ayudan a dar sentido a los patrones que observamos y predecir qué intervenciones en la naturaleza podrían llevar a un resultado deseado. Estos patrones pueden enmarcarse matemáticamente como la distribución de probabilidad conjunta de un conjunto de variables aleatorias clásicas que capturan información recogida del entorno. Esta información puede variar desde datos abstractos, como estadísticas de respuestas de encuestas, hasta eventos físicos, como la probabilidad de activar un fotodetector. Una pregunta fundamental es la de la compatibilidad causal: ¿Son las correlaciones observadas compatibles con una explicación causal dada? Una explicación causal puede expresarse en términos de modelos causales, los cuales pueden ser estudiados sistemáticamente con las herramientas proporcionadas por el campo de la inferencia causal. Los modelos causales consisten en variables aleatorias observables con distribuciones de probabilidad conocidas y variables latentes con distribuciones desconocidas que, juntas, explican las correlaciones observadas a través de influencias causales, es decir, relaciones funcionales entre los valores de estas variables. La teoría cuántica, una de las teorías más precisas a nivel fundamental, es inherentemente probabilística. Por lo tanto, los resultados de las mediciones se representan como variables aleatorias. Esto lleva naturalmente al análisis causal: ¿Qué relaciones de causa y efecto pueden explicar las resultados obtenidos en un experimento cuántico? Uno de los experimentos cuánticos más simples es aquel en el que dos laboratorios distantes realizan mediciones independientemente elegidas y espacialmente separadas sobre un estado cuántico compartido. En 1964, John Bell demostró que en este experimento la teoría cuántica predice correlaciones que desafían cualquier explicación clásica en terminos de causas comunes. Este resultado es conocido como el Teorema de Bell, y el fenómeno como no localidad de Bell. Esta tesis tiene como objetivo caracterizar operacionalmente las diferencias fundamentales entre las teorías clásicas y cuánticas dentro de escenarios causales más allá del escenario de causa común de Bell. Tal entendimiento eventualmente puede ayudar a integrar fenómenos cuánticos en un marco de causalidad coherente y conceptualmente claro. Hacia este objetivo, exploramos cómo los modelos causales clásicos y cuánticos divergen en tareas operacionales en escenarios causales específicos. Nos enfocamos en escenarios simples que van más allá de los de Bell, mientras buscamos descubrir nuevas formas de ventaja cuántica que son fundamentalmente diferentes de la no localidad de Bell tradicional. Nuestro objetivo es vincular estas nuevas formas de ventaja cuántica con diferentes propiedades no clásicas de la teoría cuántica y estudiar sus potenciales aplicaciones. Un componente crítico de esta investigación es probar la compatibilidad causal de correlaciones específicas con un modelo causal dado. Como tal, una parte importante de esta tesis está dedicada a expandir y refinar el alcance de los métodos actuales para probar la compatibilidad causal.

Tribunal:
     PRESIDENT: HOLGER ESSLINGER, TILMAN
     SECRETARI: LOZA ALVAREZ, PABLO
     VOCAL: GROSS, CHRISTIAN
Resumen de tesis: Los átomos ultrafríos han demostrado ser un recurso valioso para el estudio y la comprensión de sistemas cuánticos de muchos cuerpos en un entorno controlado. En particular, los microscopios de gases cuánticos proporcionan un acceso sin precedentes a observables locales y permiten investigar esos sistemas a nivel de cada partícula individual, ofreciendo nuevas perspectivas sobre su comportamiento. Aunque hasta ahora la mayoría de estos microscopios han utilizado átomos alcalinos, se espera que las propiedades distintivas de los átomos alcalinotérreos, en particular el estroncio, combinadas con la microscopía de gases cuánticos, arrojen nueva luz sobre una amplia variedad de problemas de muchos cuerpos. Esta tesis describe la realización de imágenes con resolución de átomo único de la red para estroncio bosónico y fermiónico en una red óptica en régimen de Hubbard. Este resultado abre la posibilidad de estudiar nuevos tipos de sistemas de Bose-Hubbard y Fermi-Hubbard SU(N).Un paso esencial en los experimentos de átomos ultrafríos es el de preparar una nube cuántica degenerada. En la primera parte de esta tesis, discutimos los métodos implementados en nuestro aparato para lograr este objetivo. Hemos desarrollado un nuevo método de protección sobre una transición en que duplica el número de átomos en la primera etapa de enfriamiento, la trampa magneto-óptica azul sobre la transición ancha. Durante la segunda etapa de enfriamiento en una trampa magneto-óptica roja sobre la línea estrecha, la estructura hiperfina de los átomos fermiónicos presenta nuevos desafíos, que abordamos mezclando los estados hiperfinos con un láser adicional para lograr un atrapamiento y enfriamiento eficiente. Después de las etapas de enfriamiento láser, realizamos enfriamiento por evaporación en una trampa dipolar antes de cargar los átomos en una red óptica bidimensional. El láser de la red opera a la longitud de onda mágica para la transición reloj del estroncio (813.4nm), lo que permitirá mediciones de alta precisión en futures experimentos.Para tomar imágenes de los átomos individuales en la red óptica, colocamos un objetivo de microscopio de alta apertura numérica a poca distancia de los átomos. Demostramos la detección de átomos individuales para estroncio bosónico y fermiónico, y reconstruimos la ocupación en la red para ambos, alcanzando fidelidades de hasta un 96%. Para el isótopo bosónico de Sr-84, inducimos fluorescencia en la transición ancha azul y simultáneamente realizamos enfriamiento atractivo de Sísifo en la transición estrecha roja. Además, mediante la combinación este método y la detección en el espacio de momentos, conseguimos observar la interferencia de la onda de materia que surge de la coherencia de fase del superfluido de Bose-Hubbard. Para los átomos fermiónicos de Sr-87, utilizamos solo la transición roja para la fluorescencia, lo que nos permite obtener por primera vez tanto resolución de átomos individuales como detección del estado de espín en átomos alcalinotérreos.Esta tesis ha combinado, por primera vez, la microscopía de gases cuánticos con el estroncio ultrafrío y sus propiedades espectrales distintivas. Esta plataforma habilita una amplia variedad de futuros estudios. Para los bosones, permite la investigación de sistemas Bose-Hubbard disipativos con detección de átomos individuales así como la exploración de la interacción colectiva de átomos y fotones en matrices ordenadas de átomos. Para los fermiones, la detección individual de átomos y su estado de espín proporciona el entorno ideal para investigar las correlaciones antiferromagnéticas en sistemas SU(N ≤10) de Fermi-Hubbard y la realización de fases magnéticas exóticas.

Tribunal:
     PRESIDENT: COELHO MESQUITA, RICKSON
     SECRETARI: CAMPELO AUBARELL, FELIX
     VOCAL: GOROSTIZA LANGA, PAU
Resumen de tesis: 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
Resumen de tesis: 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
Resumen de tesis: El estudio de cómo restablecer la visión es fundamental para hacer frente a las enfermedades degenerativas que causan ceguera, las cuales afectan significativamente la calidad de vida de las personas y tienen un fuerte impacto en nuestra sociedad, así como en la salud pública. Con más de 230 millones de personas afectadas en todo el mundo por pérdida de visión, y una estimación de aumento de 38 a 115 millones para 2050, la urgencia de encontrar tratamientos efectivos es más que evidente. La visión es el sentido más complejo y crucial que poseemos los seres humanos. La luz es captada por los fotorreceptores en la retina, que inician una cascada de señales que llegan al cerebro, donde son traducidas para poder procesar la imagen del mundo que nos rodea. Las enfermedades degenerativas implican la deterioración progresiva de los fotorreceptores, lo que conduce finalmente a la ceguera. Actualmente no existe cura, pero se están investigando diversas aproximaciones para restaurar artificialmente la visión en estos pacientes. Estas incluyen terapias génicas y celulares que se enfocan en restaurar o regenerar el tejido enfermo, así como métodos que pretenden reemplazar la disfunción a través de técnicas de optogenética o mediante la implantación de prótesis. Mediante el conocimiento y la manipulación de la actividad neuronal, los científicos aspiran a restablecer la visión o ralentizar los procesos de degeneración. La investigación en esta área tiene el potencial de aliviar el sufrimiento personal y mejorar la independencia de las personas afectadas, así como reducir la carga socioeconómica asociada a la discapacidad visual.Entre los resultados de esta tesis destacan los progresos en cuatro áreas de investigación para restablecer la visión. En el Capítulo 2a se explora un nuevo tipo de implante retinal formado por microelectrodos de grafeno. Demostramos la capacidad del implante para registrar y generar señales neuronales en explantes de retina. También se detalla un protocolo para medir las dinámicas de calcio en explantes de retina, facilitando futuros estudios que combinen estimulación eléctrica con técnicas ópticas. El Capítulo 2b se centra en la adaptación de un oftalmoscopio para captar imágenes en vivo, con resolución celular, para estudiar la retina de modelos murinos, con el objetivo de establecer las bases para futuras implementaciones para monitorizar la funcionalidad de la prótesis una vez implantada. El Capítulo 3 se adentra en el potencial de los organoides retinianos derivados de células madre de pacientes para la investigación de las retinopatías. Utilizando técnicas de imagen avanzadas, hemos observado con éxito la formación de tipos celulares retinianos distintivos dentro de los organoides y hemos identificado diferencias en las dinámicas del calcio entre modelos de organoides provenientes de voluntarios sanos y pacientes de retinitis pigmentosa. El Capítulo 4 propone una nueva técnica basada en la excitación con tres fotones para controlar la actividad neural con drogas fotoestimulables, a mayor profundidad y con mayor precisión que los métodos tradicionales. Este enfoque ha permitido modular con éxito la actividad neuronal del cerebro en peces cebra con una exposición mínima a la luz, demostrando su potencial para revolucionar el estudio de los circuitos neuronales y el desarrollo de nuevas terapias de neuromodulación.En conjunto, estos avances en el diseño de implantes retinianos, el monitoreo in vivo de la retina, el estudio del potencial de los organoides como nuevos modelos derivados de pacientes, y el desarrollo de técnicas no invasivas de estimulación cerebral mediante tres fotones, abren el camino para el desarrollo futuro de terapias más efectivas para restablecer la visión.

Tribunal:
     PRESIDENT: WEITZ, THOMAS
     SECRETARI: RUBIO VERDÚ, CARMEN
     VOCAL: RIBEIRO PALAU, REBECA LISSETTE
Resumen de tesis: 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
Resumen de tesis: 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
Resumen de tesis: El rápido avance de las tecnologías cuánticas está empujando la frontera de la innovación científica y tecnológica. Entre losdistintos sistemas utilizados para convertir teoría cuántica en aplicaciones tecnológicas, los fotones se presentan comocontendientes de particular interés. Sus ventajas inherentes, como la baja decoherencia y rápida propagación, los hacen portadoresideales de información cuántica para aplicaciones en comunicación, computación y medición.Sin embargo, la manipulación y control eficientes de estados cuánticos fotónicos presentan desafíos significativos, a menudorequiriendo el uso de interfaces. En la presente Tesis, investigamos varios enfoques novedosos para diseñar y controlar laspropiedades de la luz utilizando átomos neutros atrapados en el vacío.En el Capítulo 2, presentamos un nuevo método para observar y manipular efectos de interferencia cuántica entre unos pocosfotones y un solo átomo en el vacío. Nuestro enfoque utiliza una configuración de Cruz de Malta, donde dos haces coherentesiluminan el átomo en direcciones perpendiculares. Incluso cuando el acoplamiento átomo-fotón es débil, demostramos que unajuste preciso de las relaciones de intensidad y fase relativa de los haces es equivalente a una eficiencia de acoplamiento efectiva,la cual puede ser artificialmente aumentada para determinados observables. En particular, es posible diseñar correlaciones entrefotones, desde estados totalmente antiagrupados hasta estados extremadamente agrupados, así como controlar las propiedadesde la transmisión lineal en direcciones específicas.En el Capítulo 3, proponemos la combinación de retículos atómicos ordenados, protocolos de TransparenciaElectromagnéticamente Inducida (EIT) y átomos de Rydberg como una plataforma prometedora para la óptica cuántica no lineal. Laperiodicidad espacial del retículo permite un control preciso sobre la dispersión de fotones, reduciendo la disipación inherente deprotocolos tradicionales basados en EIT y Rydberg. Usando un retículo bidimensional, diseñamos y caracterizamos un``interruptor'' accionado con fotones individuales, donde el almacenamiento de un solo fotón como excitación de Rydberg resulta enun fuerte cambio de la respuesta óptica del sistema. Este interruptor puede usarse para implementar puertas lógicas fotón-fotóncon un error que escala con el radio de bloqueo de Rydberg como Rb^{-4}, alcanzando potencialmente eficiencias de hasta 99%para parámetros asequibles experimentalmente.En el Capítulo 4, discutimos un reciente experimento donde se observaron características propias de la transición de fase de Dickeen una nube de átomos alargada iluminada en el vacío. Esto es inesperado, ya que el modelo de Dicke típicamente involucra unconjunto de átomos acoplados de manera idéntica a un único modo fotónico, similar a un conjunto de átomos en una cavidad. Encambio, los átomos en el vacío interactúan con un continuo de modos ópticos, dando lugar a efectos de propagación quecomprometen la uniformidad del modelo de Dicke. En este capítulo, presentamos y resolvemos un modelo simple para explicar elcomportamiento observado en el experimento, basado en las ecuaciones de Maxwell-Bloch unidimensionales. A pesar de encontrarun comportamiento no analítico en ciertos observables, un análisis más detallado revela una inhomogeneidad espacial significativaen las propiedades atómicas. Por ello, concluimos que el sistema en el espacio libre no experimenta una transición de fasetradicional, sino más bien una ``separación'' de fase, entre regiones saturadas y no saturadas.En conjunto, los resultados de esta Tesis representan una contribución significativa hacia una mejor comprensión de losfenómenos cuánticos asociados a las interacciones átomo-fotón en el vacío, y hacia la conversión de ese conocimiento enimplementaciones tecnológicas prácticas.

Tribunal:
     PRESIDENT: MANNELLI, ILARIA
     SECRETARI: GARCÍA DE ARQUER, FRANCISCO PELAYO
     VOCAL: ST CLAIR, TODD PARRISH
Resumen de tesis: 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
Resumen de tesis: En esta tesis, me enfoqué en presentar herramientas para cuantificar el rendimiento de los algoritmos de computación cuántica y sus aplicaciones. El principal enfoque está en dos de las áreas de aplicación más populares de la computación cuántica, el aprendizaje automático cuántico y la química cuántica. Con este fin, analizo las propiedades de los modelos de aprendizaje automático cuántico siguiendo técnicas de métodos estadísticos, que pueden ayudarnos a construir nuestra comprensión de las capacidades de dichos modelos cuánticos. Además, presento el esquema de maestro-alumno como una herramienta computacional para evaluar el rendimiento de diferentes modelos cuánticos y sus capacidades de entrenamiento. Hasta que esté disponible la evaluación comparativa a gran escala, estas herramientas pueden ayudarnos a comprender el potencial del aprendizaje automático cuántico y guiar la investigación en la dirección correcta. A continuación, en los últimos años se ha dedicado un esfuerzo sustancial al desarrollo de algoritmos cuánticos para aplicaciones de química cuántica. Introduzco herramientas para evaluar la utilidad de diversas combinaciones de algoritmos de química cuántica. Realizo extensas simulaciones numéricas en sistemas computacionalmente asequibles de tamaño intermedio para explorar cómo los métodos cuánticos pueden acelerar las tareas de química cuántica. Estos trabajosestablecen una base desde la cual explorar más a fondo los requisitos para lograr una ventaja cuántica en la química cuántica. Finalmente, discuto cómo la investigación en computación cuántica tiende a caer en una de dos categorías: computación cuántica de escala intermedia a corto plazo (NISQ) y computación cuántica tolerante a fallos (FTQC). A través de una aplicación de química cuántica, exploro cómo utilizar las computadoras cuánticas en la transición entre estas dos épocas, es decir, el régimen de computación cuántica tolerante a fallos temprano (EFTQC).

Tribunal:
     PRESIDENT: ACUNA, GUILLERMO
     SECRETARI: VAN HULST, NIEK
     VOCAL: ZIJLSTRA, PETER
Resumen de tesis: 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
Resumen de tesis: 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
Resumen de tesis: El desarrollo de los microscopios para gases cuánticos ha revolucionado el campo de la simulación cuántica con átomos ultrafríos. Más concretamente, su capacidad de observar y manipular gases cuánticos degenerados en redes ópticas a nivel de una sola partícula ha aportado nuevas formas de explorar y diseñar sistemas cuánticos de muchos cuerpos. Hasta ahora, la mayoría de microscopios para gases cuánticos han utilizado átomos alcalinos. No obstante, la combinación de la microscopía cuántica de gases con las propiedades de los átomos alcalinotérreos, como el estroncio, abre nuevas e interesantes líneas de investigación. En esta tesis, detallamos el diseño y construcción de un microscopio para gases cuánticos de estroncio. Los resultados de esta tesis pueden dividirse en tres partes.En la primera parte, nos centramos en la acumulación de átomos en la celda de ciencia y desarrollamos una estrategia para aumentar el número de átomos en trampas magneto-ópticas de átomos de estroncio que utilizan la transición a 461 nm. Esta estrategia consiste en poblar resonantemente un estado reservorio de corto tiempo de vida, evitando parcialmente las pérdidas atómicas asociados al ciclo de enfriamiento. Demostramos un aumento en un factor 2 en el número de átomos para los isótopos bosónicos Sr-88 y Sr-84, y el isótopo fermiónico Sr-87, mostrando su captura eficiente en nuestro experimento. Nuestra estrategia puede ser fácilmente utilizado en la mayoría de experimentos con estroncio, dado que la transición empleada se utiliza habitualmente para el enfriamiento posterior. En nuestro caso, dicha estrategia facilita la generación de condensados de Bose-Einstein.La segunda parte de la tesis presenta la generación de gases cuánticos de hasta 200000 átomos. Tras resumir los pasos de enfriamiento necesarios, estudiamos la formación de condensados de Bose-Einstein durante el enfriamiento por evaporación en nuestro experimento. El análisis de la evolución del tamaño horizontal y vertical de las nubes atómicas en caída libre conduce a una expansión asimétrica característica. También mostramos la generación de condensados de Bose-Einstein más pequeños de menos de 20000 átomos con la ayuda de un potencial de tipo "hoja de luz". Con este confinamiento altamente anisótropo nuestros condensados pueden considerarse bidimensionales para números de átomos del orden de 1000.En la tercera parte demostramos la obtención de imágenes de un gas cuántico bosónico de Sr-84 confinado en una red óptica en régimen de Hubbard, con resolución a nivel del átomo único. Confinamos el gas cuántico mediante una red óptica bidimensional y el potencial de tipo "hoja de luz" mencionado anteriormente, ambos operando a la longitud de onda mágica de reloj de estroncio. Un objetivo de imagen de alta apertura numérica permite obtener imágenes de fluorescencia en las cuales se distingue cada átomo único y cada pozo del potencial. Para ello, se utiliza la difusión de fotones en la transición a 461 nm del estroncio, y se enfria simultáneamente el gas de forma efficiente empleando una transición más estrecha a 689 nm. Reconstruimos la ocupación atómica de los pozos de la red a partir de las imágenes de fluorescencia, obteniendo fidelidades superiores al 94%. Por último, realizamos un superfluido de Sr-84 en el régimen de Bose-Hubbard y observamos su característico patrón de interferencia después de expansión en la "hoja de luz", con resolución a nivel del átomo único. Nuestro microscopio para gases cuánticos de estroncio proporciona una nueva plataforma para estudiar modelos de Hubbard disipativos y efectos cooperativos en la interacción luz-materia a nivel microscópico. Además, la capacidad de enfriar también el isótopo fermiónico Sr-87 prepara el camino para generar gases de Fermi degenerados con simetría SU(N) y estudiar modelos exóticos de magnetismo cuántico SU(N).

Tribunal:
     PRESIDENT: MIHI, AGUSTIN
     SECRETARI: GARCÍA DE ARQUER, FRANCISCO PELAYO
     VOCAL: DI STASIO, FRANCESCO
Resumen de tesis: 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
Resumen de tesis: 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
Resumen de tesis: 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
Resumen de tesis: El estudio de materia fuertemente correlacionada en materiales 20 ha surgido corno una oportunidad para el estudio fundamental de la materia condensada y el disefio de dispositivos novedosos. La ingenierfa de moiré, donde las capas 20 sondesalineadas rotacionalmente, es una herramienta poderosa para inducir correlaciones electronicas. En el grafeno bicapa rotado de angulo magico (MATBG en inglés), un angulo de 1.1° entre las capas de grafeno crea un patron de moiré o superred. En consecuencia , se forman bandas electronicas planas en el nivei de Fermi, donde aparecen una multitude de fases cuanticas de varios cuerpos, generadas por correlaciones electronicas . Otra via para estudiar correlaciones electronicas en 20 es la exfoliacion al limite atomico de materiales 30 intrfnsicamente correlacionados.El estudio optoelectronico de heterostructuras 20 fuertemente correlacionadas destaca corno una herramienta muy util, ya que permite tanto la exploracion de las propiedades de transporte electronico corno de la interaccion luz-materia en el materiai. En esta tesis, estudiamos dos materiales 20 fuertemente correlacionados : el MATBG y el cuprato superconductor Bi2Sr2CaCu208-delta (BSCC0-2212) . Utilizamos diferentes técnicas optoelectronicas para estudiar las propiedades fundamentales de los electrones en las bandas planas de MATBG, e investigar el potencial de las capas 20 de BSCC0-2212 para aplicaciones en deteccion cuantica .Primero, investigamos las bandas planas de MATBG a través de su transporte termoeléctrico. Utilizamos una excitacion optica para inducir un gradiente térmico en MATBG, que a su vez genera un potencial eléctrico . La anomalia observada en la termoelectricidad de MATBG constata la coexistencia de portadores de carga localizados y de-localizados en las bandas planas con correlacionesA continuacion , estudiamos la dinamica de enfriamiento de electrones fotoexcitados en MATBG utilizando una técnica de mezcla de laseres continuos con resolucion de frecuencia. Observamos que los electrones fotoexcitados pueden relajar su energia eficientemente a temperaturas criogénicas, al contrario que en muestras de grafeno bicapa. Proponemos un mecanismo nuevo para la dispersion ente electrones y fonones en MATBG, basado en un proceso Umklapp que surge a consecuencia del potencial de moiré.Por ultimo, desarrollamos fotodetectores superconductores de alta temperatura basados en capas ultrafinas de BSCC0-2212 . Las nanostructuras fabricadas presentan propiedades fotodetectoras sobresalientes a frecuencias de telecomunicaciones . Observamos fotorespuesta bolométrica con sensibilidad y velocidad récord a T = 77 K, tanto en gufas de ondas corno en espacio libre. Ademas , demostramos deteccion de foton unico a altas temperaturas (T = 20 K) a través de una respuesta de avalancha no bolométrica.

Tribunal:
     PRESIDENT: VOLPE, GIOVANNI
     SECRETARI: ACÍN DAL MASCHIO, ANTONIO
     VOCAL: VAN NIEUWENBURG, EVERT
Resumen de tesis: 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
Resumen de tesis: El comienzo del siglo pasado vio el inicio de la primera revolución cuántica, un periodo caracterizado por descubrimientos innovadores que culminaron en el establecimiento de la mecánica cuántica. Con el transcurso del tiempo, los conceptos abstractos introducidos en esta nueva rama de la Física, evolucionaron en dispositivos que se han tornado indispensables en nuestros quehaceres diarios. Esta evolución tecnológica ha impulsado la era en la que vivimos, centrada en el intercambio y la adquisición de información, sentando las bases de lo que ahora se denomina como la segunda revolución cúantica. El objetivo de ésta es la de aprovechar la ciencia de la información cuántica, que emplea las propiedades de la mecánica cuántica para impulsar avances en el procesamiento de información, la comunicación y la computación, dando lugar a tecnologías cuánticas revolucionarias.Troncal al avance de las tecnologías cuánticas, se encuentra la exploración de los denominados estados no clásicos, esto es, manifestaciones físicas que exhiben comportamientos diferentes a los predichos por la física clásica, y que requieren del marco de la mecánica cuántica para su explicación. La manipulación y generación de estos estados limita las capacidades de progreso de las tecnologías cuánticas. Es, por lo tanto, fundamental el idear metodologías cuyo fin sea el de generar y controlar estados no clásicos. En este contexto, el campo de la fotónica emerge como una plataforma prometedora debido a su robustez y excepcional manejo de los susodichos.Por estos motivos, esta Tesis adopta un foco dual. En primer lugar, nos adentramos en la generación de estados no clásicos de la luz por medio de procesos que involucran campos intensos. Este tipo de procesos conciernen interacciones entre luz y materia que involucran intensidades lumínicas capaces de competir con las fuerzas atómicas que mantienen los electrones unidos a sus núcleos. Nuestro análisis demuestra la utilidad que estos procesos de campos intensos tienen sobre la generación de estados no clásicos de la luz, los cuales exhiben características de interés dependiendo de las procesos particulares que tengan lugar, así como de las características del material involucrado en la excitación. En segundo lugar, investigamos las limitaciones y requisitos de las fuentes de luz generadoras de estados no clásicos, más allá de aquellas derivadas en el análisis de campos intensos, con respecto a sus posibles avances en el campo de la comunicación cuántica. En particular, analizamos la distribución cuántica de claves, cuyo objetivo es el de generar una clave secreta conocida exclusivamente por las partes comunicantes para encriptar y desencriptar mensajes.Por lo tanto, esta Tesis puede entenderse como un paso inicial para aprovechar la física de campos intensos como una herramienta potencial para la ciencia de la información cuántica, así como una exploración sobre los avances y limitaciones de sistemas basados en la fotónica para la distribución cuántica de claves.

Tribunal:
     PRESIDENT: RUBIO VERDÚ, CARMEN
     SECRETARI: GONZALEZ TUDELA, ALEJANDRO
     VOCAL: WEITENBERG, CHRISTOF
Resumen de tesis: 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
Resumen de tesis: 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
Resumen de tesis: 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
Resumen de tesis: Understanding electron behavior in solids and their interactions with the lattice is crucial for exploring exotic phenomena in condensed matter. Traditional techniques often provide limited insights, focusing on either carriers or lattice structures independently. In contrast, X-ray absorption spectroscopy can simultaneously measure electrons and phonons, especially with the broadband continuum soft X-ray spectrum generated through high harmonic generation, facilitating simultaneous electron and phonon physics exploration. However, the strong absorption by solid-state samples necessitates extended measurement times. This thesis introduces the upgrades to the laser system and the attosecond soft X-ray beamline at ICFO, which enhance the detectable photon flux and improve the spectral resolution of the soft X-ray spectrograph. These advancements allow for detailed investigations of phase transition phenomena in materials such as Titanium diselenide (TiSe₂), providing an exceptional tool for understanding material properties at the microscopic level and paving the way for more precise studies of dynamic processes in condensed matter.

Tribunal:
     PRESIDENT: ARCIZET, OLIVER
     SECRETARI: RUBIO VERDÚ, CARMEN
     VOCAL: GRÖBLACHER, SIMON
Resumen de tesis: Esta tesis aborda el diseño, fabricación y medidas de puntos cuánticos definidos en nanotubos de carbono suspendidos. Las vibraciones mecánicas del nanotubo presentan un acoplamiento fuerte a los puntos cuánticos a través del potencial electrostático establecido por las puertas que los definen. Caracterizamos tanto los puntos cuánticos como las vibraciones mecánicas mediante medidas de transporte y a través de un resonador superconductor de microondas en forma de espiral.Las muestras se fabrican siguiendo un nuevo protocolo de nano-fabricación desarrollado en nuestro grupo que permite obtener nanotubos de carbono ultralimpios, con una longitud mínima de 560 nm, sobre cinco electrodos de puerta. La ventaja de este diseño tan compacto es que permite producir resonadores mecánicos de nanotubos de carbono con frecuencias de resonancia cercanas al gigaherzio, los cuales se encuentran en el estado fundamental de movimiento a temperaturas típicas de criostato de 10 mK. Nuestras simulaciones de elementos finitos indican que este diseño podría apantallar las fluctuaciones originadas por las cargas del sustrato, que son las principales responsables del desfasamiento de los bits cuánticos basados en puntos cuánticos.Los nanotubos de carbono son investigados en un criostato de dilución a 30 mK. Somos capaces de definir uno, dos y hasta tres puntos cuánticos mediante el potencial electrostático creado utilizando los voltajes de los electrodos de puerta. Las medidas de transporte muestran mapas de distribución de carga de alta calidad para cada una de las configuraciones mencionadas.En la configuración que presenta dos puntos cuánticos, nos centramos en la transición en la que un electrón oscila entre los dos puntos cuánticos a través de un efecto túnel cuántico. En esta transición, formamos un bit cuántico de carga cuya energía se puede modificar electroestáticamente a través de las puertas.El punto cuántico se detecta mediante un resonador superconductor de microondas conectado físicamente a un electrodo de puerta que está acoplado capacítivamente al momento dipolar eléctrico creado por los dos puntos cuánticos. El resonador de microondas es una espiral de niobio de 100 nm de grosor con una frecuencia de resonancia de 1.475 GHz y una impedancia característica de 640 ohmios. El nanotubo de carbono presenta modos mecánicos ultracoherentes con frecuencias de resonancia altas, a menudo entre decenas y cientos de megahercios. Los electrones que atraviesan los puntos cuánticos alojados en el resonador ejercen una fuerza de retroacción sobre el desplazamiento, lo que resulta en una reducción de la frecuencia de resonancia. En dos dispositivos observamos una reducción del 20% en la frecuencia del primer modo flexural, el cual presenta frecuencias de 240 MHz y 35 MHz. A través de la reducción de la frecuencia, estimamos un acoplamiento electromecánico de 920 MHz y 500 MHZ que demuestra que los dispositivos se encuentran en el régimen de acoplamiento ultra fuerte. Sin embargo, el mecanismo por el cual se produce este acoplamiento se basa en un proceso incoherente de transporte electrónico, lo que impide su uso en cualquier protocolo cuántico.El segundo modo flexural del nanotubo de carbono, que tiene una frecuencia de 515 MHz, presenta un acoplamiento electromecánico de 410 MHz cuando el sistema está acoplado al bit cuántico de carga. Esto demuestra que el dispositivo se encuentra en el régimen de acoplamiento ultra fuerte. De este acoplamiento se derivan efectos no lineales cuando el nanotubo oscila a unas 10 veces el movimiento del estado fundamental, los cuales son detectados a través del resonador de microondas, que es capaz de percibir el desplazamiento al cuadrado del resonador mecánico. Los efectos no lineales observados en estos dispositivos cerca del estado fundamental de movimiento destacan el potencial de los sistemas electromecánicos basados en nanotubos de carbono para aplicaciones cuánticas, que incluyen: bit cuánticos mecánicos,