Tribunal:
     PRESIDENT: RUPRECHT, VERENA
     SECRETARI: LOZA ALVAREZ, PABLO
     VOCAL: FLAMES BONILLA, NURIA
Resumen de tesis: En Caenorhabditis elegans, el embrión se desarrolla dentro de los confines protectores de una cáscara, aislado de interacciones directas con el mundo exterior. En este entorno cerrado, los circuitos neuronales mecanosensoriales, responsables de traducir fuerzas físicas en señales bioquímicas, son de los primeros en emerger durante el desarrollo. Si bien su función principal es mediar las interacciones con el mundo mecánico externo, también desempeñan un papel clave en procesos fisiológicos y comportamentales más amplios, incluyendo la plasticidad sináptica y las relaciones sociales.Las neuronas de C. elegans responsables del sentido del tacto surgen muy temprano en la embriogénesis, mucho antes de cualquier interacción física, lo que plantea la siguiente cuestión: ¿cuándo el sistema nervioso despierta por primera vez al mundo mecánico que aún no ha experimentado?Desentrañar el origen de la mecanosensación tiene importantes implicaciones para la neurociencia y la salud humana, ya que su desregulación está vinculada a diversas enfermedades y trastornos del neurodesarrollo. Por ejemplo, estudios en modelos murinos de trastorno del espectro autista (TEA) han demostrado que el momento en el que se producen alteraciones mecanosensoriales durante la embriogénesis es un factor determinante en la gravedad de la condición. A pesar de su relevancia, nuestra comprensión sobre el inicio de la mecanosensibilidad sigue siendo limitada, en parte debido a los desafíos prácticos y éticos asociados con el estudio de la aplicación de fuerzas mecánicas a sistemas neuronales en desarrollo.Para abordar estos desafíos, el objetivo de este proyecto fue desarrollar una plataforma experimental multifuncional que combina estimulación mecánica de alta precisión con imagen volumétrica en vivo, permitiendo la investigación de señales de calcio inducidas en el sistema neuronal en desarrollo de embriones de C. elegans. En el núcleo de esta plataforma se encuentra un microscopio de fluorescencia de hoja de luz de diseño "abierto", optimizado para la captura rápida de imágenes tridimensionales de la dinámica del calcio.La unidad de imagen está integrada con un nanoindentador basado en fibra óptica, que permite la aplicación de fuerzas con alta precisión y la caracterización cuantitativa de las propiedades mecánicas de la muestra. Este sistema posibilita la estimulación mecánica controlada mientras se registra en tiempo real la actividad neuronal, facilitando el análisis de cómo y cuándo las fuerzas externas influyen en los circuitos mecanosensoriales en etapas críticas del desarrollo.Utilizando esta plataforma, realizamos experimentos de prueba de concepto para explorar las respuestas mecanosensoriales en embriones de C. elegans. Estos estudios validaron la capacidad del sistema para activar y registrar con precisión la actividad neuronal, demostrando su eficacia experimental. Los hallazgos preliminares sugieren que la funcionalidad mecanosensorial podría comenzar a emerger en las etapas finales de la embriogénesis de C. elegans, ofreciendo una primera visión sobre el enigmático momento en que se desarrollan los circuitos sensoriales.

Tribunal:
     PRESIDENT: FAUSTI, DANIELE
     SECRETARI: VAN HULST, NIEK
     VOCAL: SCHICK, DANIEL
Resumen de tesis: Los materiales fuertemente correlacionados han surgido como una de las áreas de investigación más activas en la Física de la Materia Condensada. El interés en estos materiales surge principalmente de la flexibilidad de sus propiedades, lo que ofrece la posibilidad de adaptar estos materiales para aplicaciones específicas. Esto se debe, a su vez, a la rica interacción entre los grados de libertad electrónicos, orbitales y de red. Sin embargo, este acoplamiento complejo entre los diferentes grados de libertad hace que los materiales fuertemente correlacionados sean difíciles de entender.La espectroscopía ultrarrápida ofrece la posibilidad de resolver este cuello de botella y proporcionar una visión más profunda de aspectos cruciales de los materiales correlacionados para mejorar nuestra comprensión de éstos. Uno de estos aspectos es la transición de fase fotoinducida, donde la luz provoca un cambio de simetría en un material. Hasta la fecha, la investigación se ha centrado en utilizar la luz para forzar a los materiales a atravesar una única transición estructural. En este trabajo, investigamos la posibilidad de realizar múltiples saltos de fase con un solo pulso de luz. Un sistema adecuado para tal estudio es el manganito Pr0.5Ca1.5Mn04, que, a pesar de su potencial, sigue siendo poco explorado. Este manganito en capas exhibe múltiples transiciones de fase de origen electrónico, orbital y estructural en función de la temperatura. La presencia de más de una transición de fase en el Pr0.5Ca1.5Mn04 nos permite examinar la posibilidad y el mecanismo de la transición de fase múltiple, un aspecto de la transición de fase fotoinducida que hasta ahora no ha recibido mucha atención. La física de los manganitos está fuertemente dictada por la dinámica de los fonones de Jahn-Teller, que ocurren a una frecuencia muy alta (>15 THz). Por lo tanto, los estudios que involucran estos fonones requieren configuraciones con una resolución temporal muy alta.Esta tesis primero discute la construcción de un novedoso sistema que hace uso de pulsos de pocos ciclos desde la región visible hasta la del infrarrojo cercano. Luego, aprovechando las capacidades de este sistema, realizamos mediciones ultrarrápidas sobre Pr0.5Ca1.5Mn04 en dos partes: los regímenes de bombeo lineal y no lineal. En el régimen lineal, realizamos mediciones de baja fluencia de banda ancha para caracterizar la muestra. A partir de éstas, identificamos cambios estructurales y electrónicos clave que ocurren durante la vía de transición térmica, lo que nos permite mapear la muestra en diferentes regiones de simetría, en concordancia con la literatura. En el régimen de bombeo no lineal, estudiamos la dependencia de los cambios identificados en el régimen lineal con la fluencia. Al analizar la respuesta coherente de la red, encontramos indicios de transiciones de fase simples y dobles.

Tribunal:
     PRESIDENT: HAUKE, PHILIPP HANS-JÜRGEN
     SECRETARI: ACÍN DAL MASCHIO, ANTONIO
     VOCAL: CERVERA LIERTA, ALBA
Resumen de tesis: Esta tesis de física teórica trata sobre simulaciones cuánticas analógicas, simulaciones cuánticas digitales (computación cuántica) y la preparación de estados cuánticos utilizando diferentes plataformas cuánticas (átomos neutros, iones atrapados y circuitos superconductores). Vivimos en una era cuántica con una amplia variedad de plataformas disponibles; sin embargo, realizar experimentos en los dispositivos cuánticos actuales sigue siendo un desafío debido a limitaciones en control, escalabilidad y conectividad. Por lo tanto, es necesario desarrollar estrategias innovadoras para lograr la ventaja cuántica con la tecnología cuántica actual. Nos interesamos principalmente en aplicaciones a la física de altas energías, ya que la computación cuántica proporciona un marco natural para simular la evolución temporal de las teorías gauge. Aunque el campo de las simulaciones cuánticas y la computación cuántica aún está en sus inicios y puede estar lejos de proporcionar información relevante sobre el Standard Model en regímenes inaccesibles a métodos analíticos, simulaciones clásicas o experimentos directos, están surgiendo descubrimientos interesantes. Los desarrollos significativos incluyen la observación de estados "scar" en sistemas de muchos cuerpos y la reformulación de las teorías cuánticas de campos mediante modelos de enlaces cuánticos.La mayor parte de la tesis está dedicada a las simulaciones cuánticas de teorías gauge en redes, que exploramos desde diferentes perspectivas. Primero, proponemos un esquema para generar de manera efectiva interacciones de 3 cuerpos en plataformas de iones atrapados, lo que consiste en una generalización del esquema de Mølmer-Sørensen para 3 spins. En este proyecto, planteamos la simulación cuántica del modelo de enlaces cuánticos de spin 1/2 que describe el modelo de Schwinger, el cual presenta una interacción de 3 cuerpos. Dicha interacción requiere al menos 12 puertas cuánticas de 2 qubits, lo que en principio acumula más errores que una única puerta de 3 qubits. Esto es lo que hace que las simulaciones cuánticas analógicas sean tan poderosas: podemos adaptar la plataforma para generar interacciones de un modelo objetivo específico, reduciendo potencialmente los errores cuánticos.A continuación, suponiendo la existencia de una puerta cuántica perfecta de 3 cuerpos, estudiamos los estados "scar" en el modelo de Schwinger. Utilizamos un mapeo del modelo de enlaces cuánticos de spin 1/2 de Schwinger al modelo PXP para identificar las configuraciones físicas relevantes. Luego, comparamos la evolución de estados térmicos y no térmicos bajo circuitos cuánticos trotterizados secuenciales con su evolución bajo circuitos cuánticos aleatorios. Nuestros resultados indican que el sector no térmico del espacio de Hilbert, que incluye los estados "scar", es más sensible a la aleatorización.Después, utilizamos dispositivos cuánticos reales de IBMQ para realizar simulaciones cuánticas digitales del modelo de Schwinger. Estos computadores cuánticos están basados en circuitos superconductores. Actualmente tenemos acceso a 156 qubits y una base de puertas cuánticas de 1 y 2 qubits. Los dispositivos imponen fuertes limitaciones en la conectividad y la profundidad de los circuitos cuánticos, por lo que proponemos utilizar la invariancia gauge para la detección de errores.En la última parte de esta tesis, cambiamos el enfoque para estudiar un comportamiento de muchos cuerpos interesante que surge de la presencia de un campo gauge estático. Proponemos un protocolo para la preparación del estado 1/2-Laughlin, un estado de Hall cuántico fraccionario, utilizando átomos ultrafríos en rotación para crear campos gauge artificiales. Desde la fase condensada hasta el estado de Laughlin hay 3 puntos donde la gap de energía se cierra, y hacemos que la trampa sea anisotrópica para cruzar estas regiones sin perder fidelidad. Mejoramos los tiempos de preparación en un factor de 10 en comparación con estudios previos.

Tribunal:
     PRESIDENT: SONG, JUSTIN CHIEN WEN
     SECRETARI: RUBIO VERDÚ, CARMEN
     VOCAL: BASCONES FERNANDEZ DE VELASCO, MARÍA ELENA
Resumen de tesis: Desde el descubrimiento del grafeno, los materiales bi-dimensionales (2D) han acaparado una atención significativa de la comunidad de física de la materia condensada por su potencial de controlar nuevas propiedades físicas, ópticas y mecanicas. La clase de materiales 2D ahora incluye aislantes (nitruro de boro hexagonal (hBN)), semiconductores (metales de transición dicalcogenoides (TMDs)), superconductores (NbSe2), aislantes topológicos (Bi2Te3), y ferroimanes (CrI3). Más allá de sus propiedades inherentes, los materiales a capas también permiten nuevas características a través de su construcción vertical. Desarrollos recientes han llevado al descubrimiento de los materiales moiré, donde las propiedades electrónicas se ven significantemente alteradas por la rotación de las capas 2D adyacentes.El descubrimiento de la superconductividad en grafeno rotado de angulo mágico (MATBG) marcó un hito en la física de moiré, iniciando un campo de rápido crecimiento. Pareciendose de los diagramas de fase con otros superconductores de alta-Tc. MATBG sirve como una plataforma para explorar estados fuertemente correlacionados altamente ajustables. En el ángulo de rotación de 1.1°, el "ángulo mágico", MATBG muestra un aplanamiento de bandas significativo cerca de sus puntos de Dirac, reduciendo la velocidad de Fermi y haciendo la energía cinética más pequeña que las interacciónes repulsivas de Coulomb. Esto resulta no solo en superconductividad, sino también en varias fases emergentes dominadas por la física de múltiples cuerpos, incluyendo aislantes correlacionados, magnetismo orbital, órdenes nemáticos, y estados topológicos.Los materiales moiré, con grandes celdas de super-redes, facilitan la exploración de fenómenos de fuertes correlaciones a bajas densidades de portadores. Los electrodos de las puertas locales permiten el ajuste capacitivo entre estados de fuerte correlación in-situ, una característica única no disponible en otros superconductores de alta-Tc. Avances en las técnicas de barrido ahora permiten a los investigadores determinar propiedades locales en escalas sub-nanométricas. La microscopía de barrido óptica de campo cercano de tipo dispersión (s-SNOM) está particularmente preparada para explorar MATBG, dado que puede medir el señal de dispersión y fotovoltage en escalas nanométricas al mismo tiempo que permite el estudio mesoscópico del transporte electrónico.Utilizando el método inovador de nanoscopia criogénica de campo-cercano, realizaremos mediciones s-SNOM a temperaturas criogénicas (hasta 8 K) para evaluar la respuesta optica y de fotovoltage en campo-cercano. Este enfoque va a usar energías en el rango del infrarrojo-medio (MIR) y los terahercios (THz), que se alinean con las anticipadas transiciones ópticas de las estructuras de bandas de estos materiales. El principal objetivo de esta tesis es determinar los coeficientes ópticos y termoeléctricos pertinentes en materiales moiré, evaluar el impacto de las inhomogeneidades a través de medidas de fotovoltage de campo-cercano ajustando el voltage de la puerta, visualizar fenómenos de correlaciones y estados con rupturas de simetría, y comprender la naturaleza del retraso de la señal en las medidas. Esta disertación busca subrayar los avances cruciales en fases cuánticas, nano-optoelectrónica cuántica, y termoelectricidad, mientras también apoya el interés en preguntas sin resolver como las características de los estados correlacionados de bajas temperaturas. Adicionalmente, busca subrayar los objetivos futuros de los próximos experimentos en campo cercano y lejano.

Tribunal:
     PRESIDENT: MAZZERA, MARGHERITA
     SECRETARI: CHANG, DARRICK
     VOCAL: WARBURTON, RICHARD
Resumen de tesis: A pesar de décadas de investigación, la computación cuántica práctica y comunicación cuántica a larga distancia siguen sin estar a nuestro alcance debido a los grandes desafíos de las plataformas actuales. Los iones individuales de tierras raras (SREI) en estado sólido son una alternativa prometedora, con el potencial de formar nodos de computación cuántica con unos 100 qubits altamente conectados y con capacidad de interconexión fotónica. Las nanopartículas son ideales para este sistema, ya que permiten altas concentraciones de iones que fortalecen las interacciones sin comprometer la distinguibilidad espectral.Los experimentos con SREI se benefician de las cavidades ópticas, que mejoran la emisión gracias al efecto Purcell. La cavidad de fibra Fabry–Perot de acceso abierto, formada por un microespejo en la punta de una fibra y un espejo plano o de fibra, es especialmente versátil: permite integrar una amplia variedad de emisores en la superficie del espejo, ofrece fácil acceso óptico a través de la fibra y se puede ajustar tridimensionalmente. Esta flexibilidad ha permitido el estudio de diversos emisores cuánticos y materiales bidimensionales.Esta tesis presenta el trabajo que hicimos para desarrollar la plataforma SREI utilizando nanopartículas en cavidades de fibra. Comienza con una introducción a la computación cuántica, la comunicación cuántica con repetidores cuánticos y los iones de tierras raras como base para computadoras cuánticas, junto con una descripción de nuestro diseño experimental. A continuación se cubren los fundamentos teóricos, incluyendo cavidades ópticas, el efecto Purcell, las ecuaciones de Bloch ópticas y las estadísticas de luz de un solo fotón.La falta de nanoposicionadores comerciales adecuados para controlar nuestra cavidad de fibra nos llevó a diseñar uno propio. Este posicionador permitió la primera detección de iones individuales en nanopartículas. Estudiamos la transición ⁴I15/2 → ⁴I13/2 a 1535 nm en nanopartículas de Y₂O₃ de 150 nm de diámetro dopadas con 20 ppm de erbio e identificamos un ión con excelente estabilidad espectral, un ancho de línea de 3.8(3) MHz, y un g(2)(0) compatible con un emisor individual perfecto.Luego desarrollamos un segundo posicionador significativamente mejorado, con una estabilidad RMS de 2.5 pm, un rango de escaneo XY de 130 µm × 130 µm, y una modulación de cavidad en el rango de MHz, todo a 1.65 K en un criostato de ciclo cerrado. El amplio potencial de las cavidades de fibra aumenta el impacto de este dispositivo, convirtiéndolo en una de las principales contribuciones de esta tesis.Con este posicionador mejorado, realizamos un nuevo experimento para detectar interacciones entre iones individuales. Estudiamos la transición ³H₄ → ¹1D₂ a 619 nm en dos conjuntos de nanopartículas de Y₂O₃ dopadas con praseodimio, pero hasta ahora no conseguimos observar ninguna emisión de praseodimio en la cavidad. Para diagnosticar el problema, realizamos experimentos adicionales con un microscopio confocal, que confirmó la presencia de praseodimio en la mayoría de los objetos y encontró la resonancia de absorción cerca de la frecuencia esperada.La tesis termina con conclusiones y futuras líneas de investigación, incluyendo la modulación de la emisión y una nueva técnica de microscopía. Una reflexión final sobre este trabajo y los avances recientes en el campo presenta un futuro prometedor para las tecnologías de información cuántica.

Tribunal:
     PRESIDENT: NOVOTNY, LUKAS
     SECRETARI: EBRAHIM-ZADEH, MAJID
     VOCAL: ODOM, TERI
Resumen de tesis: Esta tesis investiga las interacciones luz-materia dentro de nanocavidades plasmónicas, utilizando entornos ópticos ultra-confinados para observar y controlar la dinámica molecular a escala nanométrica. Las cavidades plasmónicas, formadas por nanopartículas metálicas en estrecha proximidad con películas metálicas, generan campos ópticos altamente localizados dentro de huecos nanométricos. Este confinamiento intenso permite que las moléculas situadas en estos huecos interactúen fuertemente con la luz a temperatura ambiente, produciendo estados híbridos que combinan características tanto de fotones como de moléculas, un fenómeno conocido como acoplamiento fuerte. Al concentrar la luz en estos pequeños volúmenes, estas cavidades constituyen una plataforma para explorar los regímenes de acoplamiento fuerte y débil.Para explorar estas interacciones, se desarrollaron una serie de montajes experimentales que permitieron medir simultáneamente la dispersión de Rayleigh y Raman desde nanocavidades individuales e introdujeron nuevos métodos para rastrear la dinámica de los polaritones con pulsos femtosegundo. En condiciones de acoplamiento fuerte, cavidades plasmónicas de nanopartícula sobre espejo combinadas con moléculas de Azul de Metileno demostraron estados híbridos luz-materia. A través de medidas cuantitativas extensivas, este estudio identificó los parámetros clave que impulsan el acoplamiento fuerte y lo distinguió de los mecanismos subyacentes a la Dispersión Raman Mejorada por Superficie (SERS), ofreciendo una nueva comprensión de las interacciones luz-molécula. El estudio también profundiza en fenómenos dinámicos como la difusión espectral, observada en sistemas moleculares huésped-invitado dentro de nanocavidades plasmónicas, revelando desplazamientos espectrales dependientes del tiempo que arrojan luz sobre el comportamiento molecular en campos confinados.El control de estas interacciones a escala nanométrica se logró ajustando la resonancia de la cavidad mediante variaciones del índice de refracción y pulsos ópticos femtosegundo, permitiendo desplazamientos dirigidos de la resonancia plasmónica. Además, el uso de pulsos femtosegundo permitió investigar las dinámicas de desintegración en sistemas fuertemente acoplados, avanzando los métodos de control óptico de los polaritones y capturando evoluciones espectrales previamente no observadas en estados híbridos luz-materia.Finalmente, se empleó una técnica interferométrica de luz blanca de banda ancha para medir directamente la fase espectral de los polaritones, revelando desplazamientos de fase en los estados híbridos luz-materia y contribuyendo a la comprensión de las dinámicas de fase en sistemas plasmónicos fuertemente acoplados.Combinando los temas de comprensión y control, esta tesis ofrece una visión holística de las interacciones luz-materia a escala nanométrica, estableciendo las bases para futuros avances en nanocavidades plasmónicas y sus posibles aplicaciones en áreas como la detección química y la espectroscopía a escala nanométrica.

Tribunal:
     PRESIDENT: ALONSO GONZÁLEZ, PABLO
     SECRETARI: PRUNERI, VALERIO
     VOCAL: CALDWELL, JOSHUA
Resumen de tesis: La región espectral del infrarrojo medio (mid-IR) posee un gran potencial para aplicaciones en la recolección de energía y la recuperación de calor residual, la refrigeración radiativa, la espectroscopía, la detección, el camuflaje térmico y la visión nocturna, entre otras. Los enfoques convencionales para controlar la radiación en el infrarrojo medio mediante metamateriales y metasuperficies suelen depender de métodos de fabricación complejos. Los componentes comerciales para la fotónica en el infrarrojo medio se basan en materiales que limitan su escalabilidad y accesibilidad. En esta tesis, exploramos cómo las heteroestructuras de van der Waals (vdW), con sus propiedades ópticas intrínsecamente anisotrópicas y grosores profundamente sublongitud de onda, permiten una manipulación sin precedentes de la emisión térmica en términos de direccionalidad, polarización y quiralidad.Primero introducimos un método sencillo en campo lejano para extraer la función dieléctrica compleja de escamas exfoliadas microscópicas, lo que facilita una caracterización precisa de materiales polares altamente dispersivos sin necesidad de instrumentación de campo cercano sofisticada. Demostramos cómo las escamas ultrafinas de α-MoO₃ pueden funcionar como retardadores de fase sublongitud de onda en el infrarrojo medio, permitiendo un control eficiente de la polarización en regiones espectrales inaccesibles para los componentes ópticos convencionales a granel. Además, mostramos que simplemente torciendo dos escamas anisotrópicas se puede generar una quiralidad intrínseca en el infrarrojo medio, dando lugar a dicrosismo circular tanto en absorción como en emisión térmica, transformando eficazmente la radiación de cuerpo negro inherentemente incoherente en emisión polarizada circularmente.Finalmente, desarrollamos estructuras basadas en separadores dieléctricos anisotrópicos dentro de configuraciones de pantallas de Salisbury, lo que permite un control simultáneo sobre los ángulos acimutal y cenital de la radiación térmica emitida. A través de análisis analíticos y numéricos, se derivan principios de diseño claros que son validados utilizando materiales realistas. Los resultados presentados aquí establecen a los materiales vdW y sus heteroestructuras como plataformas versátiles para aplicaciones fotónicas avanzadas en el infrarrojo medio, mejorando significativamente nuestra capacidad para adaptar con precisión la radiación térmica en una amplia gama de aplicaciones prácticas.

Tribunal:
     PRESIDENT: SBALZARINI, IVO
     SECRETARI: GARCÍA PARAJO, MARÍA
     VOCAL: HÜMBELI, PATRICK
Resumen de tesis: Entender cómo funciona un sistema complejo a partir de sus componentes, como la invasión de un virus en una célula o la agregación de partículas en un líquido, es una cuestión primordial en el estudio de la naturaleza que proporciona grandes beneficios a nivel biológico. Para resolverla es interesante observar el camino que recorren los componentes de un sistema, pues este posee información valiosa que nos sirve para caracterizarlos y comprender cómo interaccionan entre ellos. Los avances de la última década en el campo del aprendizaje automático (machine learning) ofrecen una herramienta numérica prometedora, ya que permiten la extracción automática de características y relaciones relevantes, al tiempo que predicen el comportamiento del sistema.En esta tesis, nos enfocamos en el análisis de trayectorias de partículas observadas en sistemas complejos, abordando dos aspectos fundamentales: el comportamiento individual aleatorio y, por tanto, difícil de caracterizar, como ocurre en los pulmones, dónde al respirar metemos aire y el oxígeno se difunde hacia los capilares de los alveolos; y el comportamiento debido a múltiples formas de interactuar, desconocidas en algunos casos, como el de una gran bandada de pájaros migrando en conjunto.En particular, consideramos tres problemas:1) la estimación precisa de parámetros que caracterizan la difusión anómala observada en procesos biológicos, 2) la identificación de parámetros considerables para describir procesos estocásticos,y 3) la extracción de la forma funcional de las múltiples fuerzas presentes en sistemas de partículas.Para abordar cada uno de los problemas, desarrollamos un modelo de aprendizaje automático específico diseñado para extraer información significativa a partir de trayectorias, y lo evaluamos rigurosamente en una serie de sistemas simulados con dinámicas conocidas.El primer método, KISTEP, predice propiedades de difusión anómala a cada instante de tiempo, por segmentos de la trayectoria y en el conjunto de trayectorias, facultando un análisis detallado en cada nivel a partir de trayectorias individuales. Con este método hemos participado en el AnDi Challenge 2, una competición científica para comparar métodos computacionales dedicados a caracterizar trayectorias de Movimiento Browniano (MB) fraccional que se asemejan a fenómenos biológicos observados en experimentos como la endocitosis celular o la inmovilización de proteínas.El segundo método, SPIVAE, ayuda a identificar la mínima representación de procesos estocásticos gracias a que es un modelo no supervisado, interpretable y generativo. Además, es capaz de generar nuevas trayectorias que reproducen las características aprendidas del proceso. El análisis realizado con SPIVAE ha revelado los parámetros esperados del MB, el MB fraccionario y el MB confinado, mientras que este ha aprendido una combinación no lineal en el caso del MB escalado.El tercer método, FISGAE, emplea una red neuronal de grafos para inferir de forma no supervisada la forma funcional de las fuerzas que actúan entre partículas. FISGAE ha aprendido con éxito las fuerzas entre 21 partículas interactuando con fuerzas lineales no recíprocas, mientras que en el escenario más complejo de un gas de Lennard-Jones ha aprendido bien la fuerza a distancias cortas.En conclusión, esta investigación proporciona métodos para facilitar el análisis de sistemas de partículas directamente desde sus trayectorias, lo que posibilita obtener información que de otro modo no estaría disponible. Los métodos propuestos tienen el potencial de beneficiar tanto a los investigadores experimentales como a los teóricos, e incluso a los desarrolladores de inteligencia artificial, al procurar una comprensión más completa de los sistemas complejos. Además, los métodos desarrollados están preparados para futuras mejoras, que podrían lograrse mediante la integración de arquitecturas más sofisticadas, allanando así el camino para aplicaciones aún más avanzadas.

Tribunal:
     PRESIDENT: STIER, ANDREAS
     SECRETARI: VAN HULST, NIEK
     VOCAL: GERARDOT, BRIAN
Resumen de tesis: En esta tesis investigamos la física de los excitones confinados cuánticamente en una unión PN definida electrostáticamente. Tal unión PN puede generarse en una monocapa encapsulada de \MoSe{} a lo largo del borde del electrodo de puerta superior que muestra un patrón. Al aplicar un gradiente de voltaje entre las puertas superior e inferior, se forma un gradiente de campo eléctrico en el plano dentro de la región de agotamiento y fuertes gradientes de dopaje en las regiones dopadas P y N de la unión PN. El excitón experimenta una fuerza atractiva dentro del gradiente de campo eléctrico y repulsión por las interacciones excitón-portador de carga. Los efectos combinados son lo suficientemente fuertes como para cuantizar el número de estados excitónicos disponibles dentro del potencial. En este trabajo mostramos mediciones de estos excitones confinados cuánticamente en espectroscopía de contraste de reflexión y de fotoluminiscencia. Además, mostramos cómo el potencial de confinamiento resulta en la división de la estructura fina con estados excitónicos linealmente polarizados que están alineados o a lo largo o perpendiculares al borde de la puerta superior. Los estados pueden sintonizarse gradualmente entre polarización lineal y circular utilizando un campo magnético fuera del plano. La geometría particular de la muestra, donde la formación de la unión PN aísla eléctricamente la muestra de la tierra, nos permite investigar el modelo electrostático de una unión PN foto-polarizada, con el voltaje de polarización como un parámetro adicional de sintonización del potencial de confinamiento. El voltaje de polarización es modificado por la propia medición y varía con la ubicación de la medición. Así demostramos cómo el impacto combinado de la disociación del excitón y el túnel de agujeros calientes asistido por Auger modifica el voltaje de polarización en un intervalo de tiempo de hasta $\qty{100}{\s}$. El voltaje de polarización puede controlarse aún más utilizando un segundo láser, lo que permite la sintonización de la energía de los estados cuantizados en un rango de $\qty{15}{\meV}$. En última instancia, estos hallazgos nos permiten simular la forma exacta del potencial de confinamiento e investigar cómo el campo eléctrico en el plano modifica la estructura interna del excitón, afectando la fuerza osciladora del excitón, su tiempo de vida y disociación. Los resultados de esta tesis ilustran las posibilidades de diseñar patrones personalizados del potencial excitónico para tecnologías fotónicas y cuánticas.

Tribunal:
     PRESIDENT: ZEIHER, JOHANNES
     SECRETARI: DE RIEDMATTEN, HUGUES
     VOCAL: MALZ, DANIEL
Resumen de tesis: Las plataformas de átomos fríos se han vuelto centrales en tecnologías cuánticas como el procesamiento de información, la simulación y la metrología. Su versatilidad y alto grado de control las hacen especialmente poderosas. Un avance clave en el campo fue la capacidad de atrapar átomos individuales utilizando luz. Las trampas ópticas dipolares fuera de resonancia —como las pinzas ópticas y los arreglos en red (lattices)— permiten posicionar átomos con precisión en geometrías diversas, desde simples arreglos 2D hasta estructuras complejas en 3D.Otra gran ventaja de los átomos fríos es su capacidad para mediar interacciones entre fotones, los cuales no interactúan de forma natural en el espacio libre. Los conjuntos atómicos fríos actúan como un medio no lineal, permitiendo interacciones fuertes incluso a nivel de un solo fotón. Mediante el acoplamiento colectivo átomo-fotón y las excitaciones a estados de Rydberg, se hacen posibles compuertas entre fotones y la creación de estados no clásicos de luz. Estas dos características —no linealidades ópticas fuertes y posicionamiento atómico preciso— hacen de los átomos fríos una plataforma líder para redes cuánticas, simulaciones cuánticas y estudios de la interacción luz-materia.Un fenómeno común tanto en las herramientas de atrapamiento atómico como en la óptica no lineal cuántica es la dispersión de fotones, que puede ser intencionada o no. Hasta hace poco, teorías simples de dispersión eran suficientes para la comunidad. Sin embargo, el avance de las plataformas atómicas ahora requiere teorías más matizadas y sofisticadas para entender la dispersión y sus consecuencias en diversas aplicaciones. Este constituye el tema principal de la tesis.En la aplicación del atrapamiento atómico, en muchas situaciones prácticas los átomos pueden experimentar potenciales dependientes del estado interno. Esta diferencia de los potenciales puede conducir a un calentamiento excesivo y a una reducción de la dispersión elástica de la luz, en comparación con límites bien conocidos como los que se dan en trampas de “longitud de onda mágica” o en iones atrapados. En la primera parte de la tesis, desarrollamos un modelo para analizar estos efectos, los cuales pueden tener consecuencias importantes en óptica cuántica o en la imagen de átomos.En la segunda parte de la tesis, investigamos la decoheréncia de las ondas de espín de Rydberg en presencia de a dispersión de la luz, dentro del contexto de Transparencia Inducida por Electromagnetismo (EIT) con Rydberg. En este esquema, un fotón inicial se almacena como una superposición coherente y extendida entre átomos. Este fotón inicial puede modificar fuertemente la propagación de fotones posteriores, dando lugar a grandes no linealidades, pero la dispersión de esos fotones posteriores puede revelar información sobre dónde fue almacenado el primer fotón, causando la descoherencia de la superposición inicial. Esto a su vez puede reducir la utilidad o la capacidad de recuperar ese primer fotón. En este trabajo, elucidamos la naturaleza de esta descoherencia, y en particular, por primera vez consideramos plenamente la naturaleza tridimensional del conjunto atómico y la dispersión múltiple de luz. Encontramos regímenes en los que la dispersión múltiple podría ofrecer protección adicional frente a la descoherencia, en comparación con teorías simplificadas previas.En conjunto, esta tesis ofrece nuevos avances en la comprensión de las interacciones microscópicas entre átomos y luz, así como de la dispersión, y conecta esta física fundamental con consecuencias clave en aplicaciones del mundo real.

Tribunal:
     PRESIDENT: SCALARI, GIACOMO
     SECRETARI: VAN HULST, NIEK
     VOCAL: RESERBAT-PLANTEY, ANTOINE
Resumen de tesis: El objetivo de esta tesis es investigar la respuesta óptica infrarroja del grafeno bicapa retorcido (TBG) mediante espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR). Primero, utilicé un FTIR comercial para medir el TBG en el rango del infrarrojo medio a temperatura ambiente. Mejoré la técnica de fabricación del dispositivo y fabriqué los dispositivos TBG con un área grande y, al mismo tiempo, una baja inhomogeneidad. Observé que el TBG tiene abundantes características de absorción óptica que se originan a partir de las transiciones entre bandas que están determinadas únicamente por el ángulo de torsión.Luego, quiero investigar la transición entre bandas del TBG que se encuentra en el rango de terahercios, que desarrolla la banda plana del TBG que alberga efectos fuertemente correlacionados. Construí un FTIR casero que funciona tanto en el rango del infrarrojo medio como en el de los terahercios. Conecté el criostato con cuidado y logré un nivel de ruido eléctrico que se acerca al límite de ruido de Johnson. Al guiar la luz desde el FITR hacia el criostato, medí con éxito los estados de excitón en el dispositivo de grafeno bicapa de Bernal en un amplio rango espectral, lo que demuestra que el sistema está listo para futuros estudios experimentales de TBG.

Tribunal:
     PRESIDENT: CERULLO, GIULIO
     SECRETARI: LIGUORI, NICOLETTA
     VOCAL: PRINS, FERRY
Resumen de tesis: El aumento de la demanda energética global, junto con la necesidad de reducir las emisiones de CO₂, subraya la urgencia de desarrollar soluciones energéticas sostenibles. A pesar de su enorme potencial, la energía solar sigue infrautilizada debido a diversos retos tecnológicos. La mayoría de las tecnologías solares, incluyendo la fotovoltaica (PV), la energía solar concentrada y la fotosíntesis artificial, se basan en tres procesos fundamentales: la absorción de luz, la conversión de energía y el transporte de energía. Comprender cómo se convierte y se transmite la luz, principalmente mediante la difusión de excitones, en materiales que van desde semiconductores hasta sistemas biomiméticos y biológicos, es esencial para mejorar el rendimiento tanto de los dispositivos optoelectrónicos como de la fotosíntesis natural.Esta tesis examina cómo la dimensionalidad, los defectos y la geometría molecular afectan la difusión de excitones, con el objetivo de revelar relaciones estructura-función que rigen el transporte energético en materiales aplicados a la energía. Mediante técnicas avanzadas de microscopía espaciotemporal, como la Microscopía de Conteo de Fotones Únicos Correlacionados en el Tiempo, la Microscopía de Reflexión Transitoria y una técnica innovadora desarrollada por mi grupo, la Transferencia de Energía por Excitación Estructurada (StrEET), esta investigación estudia la difusión de excitones en semiconductores orgánicos, perovskitas 2D, dicalcogenuros de metales de transición (TMDCs) y sistemas bioinspirados.Los resultados clave muestran que la dimensionalidad influye de manera crítica en la movilidad de los excitones. En películas orgánicas de Y6, un aceptor no-ful·lereno de referencia en fotovoltaica orgánica, realicé las primeras mediciones directas de difusión de excitones, evidenciando que el confinamiento incrementa la movilidad; además, el control morfológico mediante aditivos permite aumentar los coeficientes de difusión en más de un 50%. En perovskitas 2D, el aumento de grosor mejora tanto la difusión como la anisotropía, con longitudes de difusión que superan ampliamente las de los sistemas orgánicos convencionales.Los estudios con TMDCs revelan que, más allá de la dimensionalidad, los defectos y las interacciones con el sustrato también afectan significativamente la movilidad excitónica. En monocapas suspendidas se observan diversos regímenes de transporte, difusión rápida, negativa y lenta, todos limitados por estados trampa y sensibles a cambios estructurales y ambientales.Este trabajo también explora cómo el empaquetamiento molecular y la geometría influyen en el transporte de excitones en sistemas bioinspirados como películas de porfirinas y redes bacterianas LH2. Gracias a la técnica StrEET, realicé las primeras mediciones directas de este tipo en sistemas fotosintéticos, demostrando que un empaquetamiento más denso mejora la difusión, aunque reduce la vida media de los excitones; la longitud de difusión óptima, comparable a la de los mejores semiconductores orgánicos, resulta de un equilibrio entre estos efectos opuestos.En conjunto, esta investigación demuestra que el transporte excitónico se puede diseñar ajustando propiedades como la dimensionalidad, la densidad de defectos y la organización molecular. Estos resultados ofrecen directrices valiosas para el desarrollo de tecnologías optoelectrónicas y bioinspiradas más eficientes, contribuyendo al avance hacia soluciones energéticas sostenibles.

Tribunal:
     PRESIDENT: DOS SANTOS DUARTE VIEIRA HENRIQUES, RICARDO JOSÉ
     SECRETARI: DURDURAN, TURGUT
     VOCAL: ACCANTO, NICOLÒ
Resumen de tesis: La microscopía de bioluminiscencia presenta una alternativa poderosa a la imagen por fluorescencia al eliminar la necesidad de iluminación externa, evitando así problemas como la fototoxicidad, la fotoblanqueo y la autofluorescencia de fondo. Sin embargo, la salida de fotones inherentemente baja de los reporteros basados en luciferasa restringe significativamente la relación señal-ruido (SNR), así como la resolución espacial y temporal alcanzable, desafíos que son especialmente pronunciados en la imagen biológica dinámica o volumétrica. Esta tesis aborda estas limitaciones mediante la introducción de una canalización de imagen impulsada por aprendizaje profundo, diseñada para mejorar la microscopía de bioluminiscencia tanto en la adquisición de datos como en la reconstrucción de imágenes.Nuestra estrategia integra el diseño de sistemas ópticos con redes neuronales avanzadas para permitir la obtención rápida de imágenes 3D de alta resolución en condiciones de iluminación extremadamente baja. Diseñamos un microscopio personalizado con un eje óptico altamente compacto y lo combinamos con una cámara sensible a fotones individuales, mejorando significativamente la SNR de las imágenes bioluminiscentes. Para lograr una imagen volumétrica rápida, incorporamos microscopía de campo de luz (LFM) y microscopía de campo de luz de Fourier (FLFM), lo que permite la adquisición 3D de una sola toma, mejorando la resolución axial y lateral mediante el filtrado en el dominio de Fourier. El objetivo principal de este trabajo es demostrar cómo el aprendizaje profundo puede mejorar sustancialmente la microscopía de bioluminiscencia, llevando la técnica más allá de sus límites tradicionales tanto en imágenes 2D como 3D.En el núcleo de nuestro enfoque se encuentra un conjunto de redes neuronales convolucionales entrenadas específicamente con datos bioluminiscentes. Utilizando conjuntos de datos sintéticos y experimentales, diseñamos y entrenamos modelos capaces de extraer información significativa de datos en crudo con baja SNR, recuperando detalles que de otro modo se perderían y ofreciendo una visión más profunda de la muestra biológica. Los modelos desarrollados en esta tesis abarcan tareas clave como la eliminación de ruido y la reconstrucción de imágenes bioluminiscentes de campo amplio, de campo de luz y de campo de luz de Fourier. Juntos, forman una canalización modular y aprendible que eleva significativamente el rendimiento de la microscopía de bioluminiscencia tanto en calidad como en velocidad.Validamos nuestro sistema utilizando muestras biológicas vivas, incluyendo Caenorhabditis elegans, células madre de ratón y embriones de pez cebra, capturando actividad neuronal y dinámicas intracelulares a escalas de tiempo subsegundo. Al colocar el aprendizaje profundo en el corazón del proceso de imagen, este trabajo establece un nuevo paradigma para la microscopía de bioluminiscencia, transformando una modalidad tradicionalmente limitada por baja SNR en una herramienta robusta para imágenes rápidas, de alta resolución y específicas por etiquetas en organismos vivos.

Tribunal:
     PRESIDENT: NAVASCUES COBO, MIGUEL
     SECRETARI: CHANG, DARRICK
     VOCAL: WRIGHT, VICTORIA JANE
Resumen de tesis: La tesis considera varias técnicas de optimización aplicadas en el contexto de la teoría de la información cuántica. Luego de una introducción pedagógica a la teoría de la información cuántica y a la optimización, se abordan tres líneas principales de investigación. La primera es el afamado problema abierto fundamental de las bases mutuamente insesgadas, que consiste en encontrar conjuntos de bases ortonormales que sean iinsesgadas entre sí. Más específicamente, aún se desconoce si es posible encontrar un conjunto de 4 bases mutuamente insesgadas en dimensión 6. Se aplican diversas técnicas de optimización, incluyendo programación semidefinida no lineal, optimización see-saw, relajaciones de programación semidefinida, branch-and-cut, métodos de descenso de gradiente y el método de los multiplicadores de Lagrange, que ofrecen nuevas perspectivas sobre el problema. La segunda línea de investigación se centra en la no localidad de Bell, y más concretamente, en la simplificación de la jerarquía de programas semidefinidos conocida como jerarquía NPA (Navascués-Pironio-Acín), utilizada para encontrar cotas sobre la máxima violación cuántica  de las desigualdades de Bell. En el caso de un gran número de entradas por parte, se demuestra una ventaja tanto en memoria como en tiempo frente a los solucionadores más avanzados, combinando diversas técnicas de optimización. La tercera línea de investigación trata sobre la física cuántica de muchos cuerpos, un campo que abarca una amplia variedad de temas. La tesis considera los problemas de acotar los valores esperados de observables en los estados estacionarios de sistemas cuánticos abiertos, encontrar mejores mapeos de fermiones a cúbits y resolver el problema de coloreo de grafos mediante un novedoso algoritmo de optimización inspirado en qudits. En cada caso, se muestra una ventaja en comparación con métodos similares.

Tribunal:
     PRESIDENT: GRANGIER, PHILIPPE
     SECRETARI: ACÍN DAL MASCHIO, ANTONIO
     VOCAL: BELEN SAINZ, ANA
Resumen de tesis: Esta tesis tiene como objetivo principal desarrollar herramientas teóricas confiables para certificar la preparación de estados entrelazados y otras correlaciones cuánticas en sistemas de muchos cuerpos a partir de observables accesibles. Al hacerlo, reconciliamos diversas medidas teóricas de la información con el laboratorio mediante la construcción de criterios que puedan ser probados en experimentos actuales. En el transcurso de este trabajo, abordamos la certificación de varios recursos relacionados con el entrelazamiento cuántico, desde la coherencia hasta la no localidad de Bell. Un aspecto común entre estos recursos es su convexidad, es decir, el hecho de que el contenido de recurso no puede ser producido ni amplificado por la mera mezcla estadística de diferentes estados. Esta observación es también una propiedad técnica clave para casi todas nuestras contribuciones. Aquí, nos enfocamos en aquellos sistemas de muchos cuerpos que son más fácilmente analizados mediante observables colectivos o invariantes bajo permutaciones, como las colectividades de espines o los condensados de Bose-Einstein de espines. En este sentido, las simetrías de los observables pueden aprovecharse para construir criterios de entrelazamiento con una escalabilidad más favorable.El contenido de recurso de un sistema físico se certifica a partir de las estadísticas que produce. Dentro del formalismo cuántico, tales estadísticas están codificadas en la matriz densidad, que se reconstruye basándose en información finita obtenida experimentalmente. Comenzamos la tesis describiendo un protocolo práctico asistido por aprendizaje automático para mejorar y reducir el ruido en la inferencia de dichas estadísticas en escenarios realistas. Posteriormente, discutimos la certificación de entrelazamiento útil para metrología introduciendo un algoritmo simple para evaluar la mínima información cuántica de Fisher compatible con un conjunto arbitrario de valores medios. Nuestro enfoque permite mejorar sistemáticamente criterios muy utilizados y revelar la sensibilidad de los estados de muchos cuerpos con un esfuerzo experimental mínimo.A continuación, abordamos la detección de entrelazamiento a partir de promedios e incertidumbres de observables colectivos, formulando una única condición que prueba un conjunto de criterios, incluidos aquellos propuestos en el pasado en forma de desigualdades. Aplicamos nuestro enfoque para descubrir nuevos criterios de entrelazamiento diseñados específicamente para condensados de Bose-Einstein y basados en medidas de poblaciones en los subniveles de Zeeman. También discutimos, hasta cierto punto, la certificación del número de Schmidt, la medida central del entrelazamiento bipartito, utilizando observables similares. Luego, abordamos el problema inverso de detectar estados separables mediante técnicas matemáticas basadas en mapas positivos invertibles.La última parte de la tesis está dedicada a la no localidad de Bell, una de las formas más fuertes de no clasicidad más allá del entrelazamiento cuántico. Primero escalamos los criterios de dimensión de Bell, es decir, criterios cuya violación señala la imposibilidad de explicar las estadísticas inferidas con un espacio de Hilbert de una dimensión local dada, al régimen de muchos cuerpos. En particular, proponemos que la profundidad de violación de una desigualdad de Bell puede usarse para certificar de manera robusta el número de qutrits en un conjunto. Cerramos la tesis presentando un enfoque basado en datos para detectar no localidad de Bell a partir de correlaciones de espín de uno y dos cuerpos promediadas sobre todas las permutaciones de las partículas. Esta metodología nos permite descubrir desigualdades de Bell más potentes especialmente diseñadas para estados de muchos cuerpos con interés físico.

Tribunal:
     PRESIDENT: DIAMANTI, ELENI
     SECRETARI: PRUNERI, VALERIO
     VOCAL: BROWN, PETER
Resumen de tesis: En esta Tesis, observaremos diversas tecnologías así como técnicas relevantes para el desarrollo de sistemas de comunicación seguros basados en la Mecánica Cuántica. Este análisis teórico implica el empleo de diversas metodologías, las cuales representan formidables desafíos desde una perspectiva puramente analítica, así como desde el punto de vista del cálculo numérico. Los contenidos de este manuscrito están divididos de acuerdo a la naturaleza particular de cada una de las tecnologías bajo escrutinio.Como comenzamiento, llevaremos a cabo un estudio de la Distribución de Clave Cuántica basada en estados de variable continua y medidas discretizadas. Esta pesquisa queda dividida de acuerdo a dos capítulos. El primero consta de una descripción detallada de nuestro método, así como diversos resultados respecto a la adición de técnicas de postselección; un estudio de la optimización en infinitas dimensiones, además de derivaciones en el régimen finito bajo seguridad colectiva. En la segunda parte, observaremos cómo haciendo uso de una discretización completa en los resultados de las medidas provee no solamente seguridad completa contra todo adversario permitido por la Mecánica Cuántica, sino también un nuevo formalismo cimentado en la acumulación de la entropía que permite el análisis de las fluctuaciones estadísticas que surgen cuando solamente se dispone de una muestra finita.Este cuodlibeto queda seguido por un estudio de la Generación Cuántica de Números Aleatorios de acuerdo a una perspectiva semi-Independiente de Dispositivos, donde los postulados asumidos sobre los equipos experimentales son limitados. Nuestra discusión se basará pues en usar una medida caracterizada y la imposición de una cota en el correspondiente valor esperado. Esto requiere una adaptación del conocido caso asintótico al régimen finito a fin de prevenir emergentes carencias en términos de seguridad. Dicha examinación queda completada con una prueba de seguridad contra ataques generales y diversos resultados en el régimen finito.Como colofón, esta Tesis termina con una evaluación de la Distribución de Clave Cuántica en redes grandes basada en modelos del Ciberespacio clásico, lo cual provee indicaciones sobre la escalabilidad y condiciones óptimas para las Comunicaciones Cuánticas de acuerdo a la densidad de usuarios así como sus conexiones. En particular, esta indagación se basa principalmente en sistemas de variable continua, si bien otro método fundamentado en variables discretas también queda añadido al modelo con la finalidad de mejorar su rendimiento.

Tribunal:
     PRESIDENT: ANTHOPOULOS, THOMAS
     SECRETARI: BURGUES CEBALLOS, IGNASI
     VOCAL: CHRISTODOULOU, SOTIRIOS
Resumen de tesis: Las fuentes de luz infrarroja de onda corta (SWIR) son muy importantes gracias a su capacidad de interacción con la vibración de los enlaces moleculares y su capacidad de penetración en los materiales con una dispersión y absorción de luz baja. Estas características las convierten en unas candidatas valiosas en múltiples aplicaciones. Sin embargo, las fuentes de luz SWIR tradicionales suelen ser grandes, ineficientes, trabajan a altas temperaturas con tiempos de calentamientos elevados, tienen capacidad de atenuación limitada, vidas útiles bastante cortas y un coste elevado. Por consiguiente, la demanda de fuentes más eficientes, compactas y económicas ha augmentado en los últimos años. Los puntos cuánticos en dispersión coloidal (CQDs) se perfilan como materiales prometedores para el desarrollo de fuentes innovadoras de luz SWIR gracias al control preciso de la longitud de onda de la banda prohibida, al elevado rendimiento cuántico de fotoluminiscencia (PLQY) y al bajo coste de síntesis. Esta tesis explora el uso de CQDs procesados en solución para el desarrollo de emisores de luz SWIR de alta eficiencia y flexibles mediante un método de fabricación simple y económico. Se han desarrollado emisores de luz SWIR con una longitud de onda de emisión de 1350nm usando la técnica Down-conversion (DC), en la cual CQDs de sulfuro de plomo (PbS) absorben fotones de alta energía y los reemiten con una energía inferior. Se ha usado una mezcla binaria formada por una matriz de QDs con una banda prohibida grande y unos QDs con una banda prohibida pequeña como emisores, ya que se ha reportado anteriormente una mejora de los valores de PLQY para esta combinación. Inicialmente se han fabricado películas flexibles de DC sobre un sustrato de PET usando la técnica de recubrimiento por centrifugación (spin coating) y el posterior intercambio de ligando en estado sólido, estudiando varios ligandos: ácido 3-mercaptopropionico (MPA), una combinación de yoduro de zinc y MPA, y una combinación de yoduro de 1-etil-3metilimidazolio y MPA. El mejor rendimiento se obtuvo usando MPA como ligando y se comprobó que la excitación selectiva de los QDs emisores resulta más eficiente que la excitación colectiva de los dos materiales. Esa película produjo una irradiancia de 0.19 mW mm⁻². A pesar de estos resultados prometedores, el spin coating es una técnica de fabricación ineficiente, laboriosa y dificilmente escalable. Se ha desarrollado un método de fabricación alternativo usando el polímero etilcelulosa (EC). Los QDs, funcionalizados con ácido oleico (OA), se mezclan con el polímero para formar un composite QD-EC flexible. Este método proporciona una solución industrialmente viable, reduce, por un factor 20, el uso de QDs, disminuyendo el malbaratamiento y requiere menos trabajo manual. Además, permite la producción de películas de diferentes tamaños y formas. La máxima irradiancia lograda por una película DC con QDs de PbS recubiertos de OA fue de 0.18 mW mm⁻². Con el objetivo de aumentar la eficiencia, se ha emprado un intercambio de ligando en fase líquida para mejorar la pasivación de la superficie y reducir los caminos de recombinación no radiativa. Las películas DC formadas con QDs tratados con 1-dodecantiol (DDT) demostraron un augmento de tres veces en la potencia de salida SWIR y una reducción de la eficiencia en un 37% a una mayor potencia de excitación. La película con el mejor rendimiento, compuesta por una matriz de QDs tratados con DDT y QDs recubiertos con OA como emisores, logró una irradiancia de 0.54 mW mm⁻². Además, esos emisores fueron testeados en condiciones reales, demostrando exitosamente su habilidad de penetrar a través de humo. En resumen, se han desarrollado fuentes de luz SWIR eficientes y flexibles usando un nuevo método de fabricación con CQDs en solución económico e industrialmente adaptable. Este trabajo contribuye en los esfuerzos de investigación conjuntos para afrontar la creciente demanda de emisores de luz SWIR.

Tribunal:
     PRESIDENT: MORTENSEN, NIELS ASGER
     SECRETARI: BACHTOLD, ADRIAN
     VOCAL: MANJAVACAS ARÉVALO, ALEJANDRO
Resumen de tesis: En esta tesis proporcionamos una descripción teórica de cómo los haces de electrones focalizados interactúan con excitaciones de baja energía y generan luz a escala nanométrica, un tema de gran interés en el campo de la nanofotónica. Además, describimos la generación de luz mediante electrones que atraviesan túnel y aplicamos este fenómeno a la detección de analitos a través de los cambios que producen en la intensidad emitida en el campo lejano. En concreto, mediante modelización detallada investigamos el comportamiento plasmónico en materiales nanoestructurados, las respuestas fonónicas en cristales polares y la generación de luz mediante túnel electrónico inelástico. También calculamos la distribución espectral de las pérdidas de energía experimentadas por electrones rápidos que interactúan con estas excitaciones y obtuvimos espectros de pérdidas de energía de electrones con resolución espacial para diversos sistemas. A continuación, resumimos nuestros principales hallazgos:En el Capítulo 2, exploramos que la respuesta plasmónica en el infrarrojo de dímeros de nanocubos de óxido de indio dopado con flúor está controlada por la forma en que los cubos se tocan: los contactos puntuales y de arista producen un modo dipolar singular de baja energía que desaparece cuando se abre el hueco, mientras que los contactos de cara generan un desplazamiento espectral suave. Medidas de espectroscopía de pérdidas de energía de electrones y simulaciones confirman este comportamiento dependiente de la geometría, desafiando la suposición de que todos los dímeros son idénticos. Estos resultados aportan nuevos conocimientos sobre los plasmones de hueco para aplicaciones en sensado y óptica no lineal.En el Capítulo 3, nuestro estudio de nanoelipsoides de nitruro de boro hexagonal muestra que los efectos no locales dominan los fonones polaritones de baja energía cuando el tamaño de partícula desciende por debajo de unas pocas decenas de nanómetros. Un modelo atomístico que incluye interacciones dipolo–dipolo de largo alcance explica tanto los modos confinados en la superficie como los de tipo volumétrico observados mediante microscopía electrónica de transmisión de barrido–espectroscopía de pérdidas de energía de electrones, mientras que un modelo dieléctrico local simple no reproduce la característica superficial. También encontramos que el tamaño finito y la polarización superficial modifican el espectro vibracional. Estos resultados subrayan que cualquier diseño realista de dispositivos de hBN en el infrarrojo medio debe tener en cuenta la dispersión espacial a escala atómica. La integración de microscopía avanzada, teoría atomística y modelización computacional ofrece una hoja de ruta para estudiar excitaciones vibracionales en materiales polares de baja dimensionalidad.En el Capítulo 5, se introdujo un biosensor plasmónico autoiluminado impulsado por túnel electrónico. El dispositivo utiliza una unión túnel metal‑aislante‑metal coronada por una metasuperficie de nanohilos de oro, lo que mejora la conversión de electrones en luz mediante resonancia plasmónica. El sensor desarrollado presenta emisión espacialmente uniforme en áreas extensas y alta sensibilidad para detectar películas poliméricas delgadas y capas biomoleculares. Este trabajo proporciona una plataforma práctica adecuada para biosensado integrado sin necesidad de fuentes de iluminación externas. La fotodetección dependiente del ángulo podría ofrecer perspectivas más profundas sobre las estructuras de modo plasmónico, conduciendo a una mayor selectividad y sensibilidad espectral.La interacción entre sondas electrónicas, excitaciones y generación de luz a escala nanométrica ofrece numerosas oportunidades apasionantes para futuras investigaciones. Creemos que los conocimientos y métodos presentados en esta tesis contribuirán de manera significativa a la exploración de estas prometedoras nuevas direcciones.

Tribunal:
     PRESIDENT: VON KLITZING, WOLF DIETRICH CARL
     SECRETARI: DE RIEDMATTEN, HUGUES
     VOCAL: HUGBART, MATHILDE
Resumen de tesis: Esta tesis estudia el uso de un solo átomo neutro de 87Rb atrapado como contador de fotones. La detección de saltos cuánticos (QJs), cambios abruptos entre estados atómicos observables por cambios de fluorescencia, se usa para inferir la llegada de fotones únicos. A esta técnica la nombramos fotodetección por saltos cuánticos (QJPD).Esta tesis primero sitúa la QJPD en el contexto de la fotodetección. Comparada con detectores tradicionales, la QJPD tiene una menor velocidad y menor eficiencia cuántica (QE), pero resulta excepcional por ser intrínsecamente de banda estrecha y por tener un fuerte rechazo de fotones fuera de banda y muy bajas cuentas oscuras (DCs). Estas características hacen que sea interesante para aplicaciones que detectan señales ópticas débiles en presencia de luz de fondo de banda ancha.Los métodos experimentales consisten en cargar un átomo de 87Rb desde una trampa magneto-óptica (MOT) a una trampa fuera de resonancia (FORT) localizada en el centro de cuatro lentes ortogonales, co-focales y de alta apertura numérica. Estas lentes crean la FORT, acoplan la luz de prueba al átomo y recogen su fluorescencia, que se usa para identificar el estado atómico. La secuencia de QJPD consiste en atrapar y enfriar un átomo en la FORT, bombearlo al estado oscuro, iluminarlo con luz de prueba, iluminarlo con luz de lectura y recoger la fluorescencia, y comprobar que el átomo no ha abandonado la FORT. Se introducen métodos estadísticos para medir la QE y las DC que comparan la distribución de cuentas de fluorescencia observada con las distribuciones de fluorescencia de los estados hiperfinos. Se demuestra una QE de (2.4±0.1)×e−3, un récord para la absorción de un solo fotón por un solo átomo en espacio libre.Se miden las contribuciones a las DC. Para lograr un nivel muy bajo de DC, la QJPD se implementa en dos tiempos: uno de exposición para la absorción del fotón único seguido de un corto tiempo de fluorescencia para leer el estado atómico. Esto implica contribuciones de DC de adquisición y de lectura diferenciadas, como ocurre en detectores CCD y CMOS. La tasa de saltos oscuros (análoga a la corriente oscura de los CCD/CMOS) es de (5 ± 10) × e−3 saltos/s, compatible con cero y limitada por las estadísticas de la medida. La contribución de lectura es de (4.0 ± 0.4) × e−3 saltos por ms de fluorescencia. Para una frecuencia de lectura de 1 Hz, con pulsos de lectura de 1 ms, se demuestra una tasa neta de DC de (15 ± 10) × e−3 cuentas/adquisición, que ya es competitiva con cualquier detector no criogénico.Las capacidades de rechazo de luz de fondo (LF) se comprueban midiendo la tasa de QJs cuando el átomo se ilumina con luz solar directa y con luz dispersada por la atmósfera (luz celeste). Se desarrolla un modelo de ecuaciones cinéticas que describe las probabilidades de QJs en presencia de fuerte LF de banda ancha junto con luz de prueba débil en resonancia. Este modelo interpreta los experimentos en los que un haz de señal débil compite contra fuerte LF de banda ancha y se valida usando luz solar directa. Experimentalmente, no se observan QJs inducidos por luz celeste. Se mide también el brillo de la luz celeste y sus fluctuaciones, que resultan ser grandes incluso en días mayormente despejados, factor que aumenta aún más la necesidad de rechazo de LF. Se discuten diversas aplicaciones extremas de fotodetección contemporáneas como posibles aplicaciones para la QJPD, incluyendo comunicaciones cuánticas en espacio libre durante el día, comunicaciones clásicas en el espacio y experimentos de física fundamental. Se presenta un escenario realista en el que el desempeño de la QJPD sobrepasa al de detectores comerciales. Finalmente, se discuten potenciales mejoras. Se demuestra que tecnologías atómicas y ópticas existentes pueden ser aplicadas para alcanzar diferentes rangos de longitud de onda, anchos de banda más estrechos, eficiencia cuántica más alta y niveles de cuentas oscuras más bajos.