TDX/TDR - Departament de Física Aplicada

Hawking radiation in NS5 and little string theory

Tue, 18 Dec 2012 12:53:27 GMT

Hawking radiation in NS5 and little string theory Lorente Espín, Oscar In this thesis we have focused on semi-classical methods that enables us to obtain non-thermal spectra for the vast majority of black holes. This fact is due to taking into account the backreaction of the metric, when the black hole emits, imposing energy conservation. Specifically we have studied NS5 and Little String Theory (LST) black holes. We have calculated the Hawking radiation for both models, obtaining a non-thermal spectrum for NS5, whereas a purely thermal spectrum for LST. This last fact is due to the peculiar behavior of LST, whose temperature is independent of its mass. After a brief outline in Chapter 1 about properties of black holes, where we have introduced the information loss paradox, we have reviewed in the Chapter 2 how curved space-times, e.g. black hole backgrounds, create particles. Hawking demonstrated that black holes has temperature thus emit thermal radiation, and calculated its flux without taking into account the back-reaction of the metric. Afterwards we have presented two semi-classical methods, i.e. the tunneling approach and the complex path method, that somehow solve the information loss paradox stated by the work of Hawking. In Chapter 3 we have applied both semi-classical methods plus the covariant anomaly method in NS5 and Little String Theory (LST) black holes. We have calculated some thermodynamical quantities as the temperature and the entropy; furthermore, after reducing the ten-dimensional theory to a two-dimensional effective theory, we have calculated the emission rate and the corresponding fluxes taking into account the back-reaction of the metric. In Chapter 4 we have calculated the emission of fermions by NS5 and LST obtaining identical results as for scalar particles. In Chapter 5 we have presented a novel method in order to introduce quantum perturbations directly in the black hole metric, that accounts for back-reaction effects. This method has been applied in a general stationary spherically symmetric metric, recovering similar results as in the semi-classical methods presented in the previous chapters. Moreover, when we have applied this method in LST black hole we have obtained similar results as in string one-loop theory. Finally, in Chapter 6 we have calculated and compared some thermodynamical quantities as the entropy, using both Einstein frame and conformal frame.; En aquesta tesi hem estudiat mètodes semiclàssics que ens permeten obtenir espectres no tèrmics en la majoria de forats negres. Aquest fet és degut a tenir en compte l'autoreacció de la mètrica quan el forat negre emet radiació, tot imposant la conservació de l'energia. Concretament hem estudiat els forats negres NS5 i Little String Theory (LST). Hem calculat la radiació de Hawking en tot dos models, obtenint un espectre no tèrmic per a NS5, mentres que hem obtingut un espectre purament tèrmic en LST. Aquest darrer fet és degut al comportament especial de LST, en què la temperatura no depèn de la seva massa. Després d'una breu introducció de les propietats dels forats negres al capítol 1, on hem introduït la paradoxa de la pèrdua d'informació, hem vist al capítol 2 com els espais-temps corbs, per exemple l'entorn d'un forat negre, creen partícules. Hawking va demostrar que els forats negres tenen temperatura, per tant emeten radiació tèrmica, i va calcular el flux de partícules emès per un forat negre sense tenir en compte l'autoreacció de la mètrica. A continuació hem presentat dos mètodes semiclàssics, a saber, l'aproximació de tunneling i el mètode de camins complexos, que d'alguna manera resolen la paradoxa de la pèrdua d'informació plantejada en el treball de Hawking. En el capítol 3 hem aplicat els dos anteriors mètodes semiclàssics anteriors a més del mètode de l'anomalia covariant, tant en forats negres NS5 com en LST. Hem calculat quantitats termodinàmiques com la temperatura i l'entropia; a més, després de reduir la teoria de dimensió deu a una teoria efectiva en dos dimensions, hem calculat el ritme d'emissió i els fluxes corresponents tenint en compte l'autoreacció de la mètrica. En el capítol 4 hem calculat l'emissió de fermions en NS5 i LST obtenint idèntics resultats que pel cas de partícules escalars. En el capítol 5 hem presentat un nou mètode que introdueix directament un tipus de perturbació quàntica en la mètrica del forat negre i que té en compte els efectes d'autoreacció de la mètrica. Aquest mètode ha estat aplicat a una mètrica estacionària general amb simetria esfèrica, i hem obtingut els mateixos resultats que fent servir els mètodes semiclàssics presentats en els anteriors capítols. A més, quan hem aplicat aquest nou mètode al forat negre LST, hem obtingut resultats similiars que fent servir teoria de cordes one-loop. Finalment, en el capítol 6 hem calculat i comparat algunes quantitats termodinàmiques com l'entropia, utilitzant tant el marc d'Einstein com el marc conforme.

Modelling the dynamics of large scale shoreline sand waves

Fri, 30 Nov 2012 09:27:47 GMT

Modelling the dynamics of large scale shoreline sand waves Van Der Berg, Niels Shoreline sand waves are shoreline undulations with a length scale of several kilometres and a time scale of years to decades. They occur on many coasts, migrating in the direction of the dominant littoral drift and they introduce a variability into the shoreline position that can be greater than the long term coastal trend. The objective of this thesis is to provide more insight into the formation and dynamics of shoreline sand waves and, in particular, to explore the role of the so called high angle wave instability. Previous studies showed that the shoreline can be unstable under very oblique wave incidence. This high angle wave instability develops due to the feedback of shoreline changes and the associated changes in the bathymetry into the wave field. Wave propagation over this perturbed bathymetry leads to specific gradients in the alongshore transport that can cause the growth and migration of shoreline sand waves. In this thesis a quasi 2D non-linear morphodynamical model is improved and used to explore high angle wave instability and predict the formation and evolution of shoreline sand waves. The model assumes that the large scale and long term shoreline dynamics is controlled by the wave driven alongshore transport so that the details of the surfzone morphodynamics are not resolved. It overcomes some of the limitations of previous modelling studies on high angle wave instability. The wave field is computed with a simple wave module over the evolving bathymetry and an empirical formula is used to compute the alongshore transport. Cross-shore dynamics is described in a parameterized way and the model is capable of describing shoreline perturbations with a finite and dynamic cross-shore extent. The conditions under which shoreline instability can lead to the formation of shoreline sand waves are refined. Generic simulations with constant wave conditions and random initial perturbations show that the shoreline becomes unstable when the wave incidence angle at the depth of closure (i.e., the most offshore extent of the shoreline perturbations) is larger than a critical angle of about 42 degrees and shoreline sand waves develop in unison. The cross-shore dynamics plays an essential role because it determines the offshore extent of the shoreline perturbations. Using default model parameters, wave conditions and cross-shore profile, the sand waves develop with wavelengths between 2 and 5 km, the time scale for their formation is between 5 and 10 years and they migrate downdrift at about 0.5 km/yr. Simulations with a localized large scale perturbation trigger the formation of a downdrift sand wave train. Larger wave obliquity, higher waves and shorter wave periods strengthen the shoreline instability. A more realistic wave climate, with alternating high and low angle wave incidence reduces the potential for shoreline instability. A percentage of about 80% of high angle waves is required for sand wave formation. It is demonstrated that the range of low wave angles that can occur on a coast is larger than the range of high wave angles, and that the stabilizing effect produced by low angle waves (causing diffusion) is bigger than the destabilizing effect produced by high angle waves (causing growth and migration). Even if high angle waves are not dominant, the instability mechanism might still play a role in the persistence and downdrift migration of large scale shoreline perturbations. The model results are in qualitative agreement with observations of shoreline sand waves. The quasi 2D approach provides new insight into the physical mechanisms behind high angle wave instability and the occurrence of a minimal and optimal length scale for sand wave formation. Essential physical processes are wave energy dispersion due to wave refraction, wave energy focusing near the crest of a sand wave and the monotonic decrease of the gradients in alongshore transport for increasing length scales.; Les ones de sorra a la línia de costa són ondulacions de la línia de costa amb una escala espacial de kilòmetres i una escala temporal d’anys a dècades. Ocorren a moltes costes, migren en la direcció del transport litoral i introdueixen una variabilitat a la línia de costa que pot ser major que la seva tendència a llarg termini. L’objectiu d’aquesta tesi és estudiar amb més profunditat la formació i la dinàmica de les ones de sorra i, més concretament, explorar el rol de l’anomenada inestabilitat d’angle gran. Estudis previs van demostrar que la línia de costa pot ser inestable en cas d’onades obliqües que incideixen amb un angle gran. Aquesta inestabilitat d’angle gran es produeix degut a la retroalimentació entre els canvis a la línia de costa (i els que conseqüentment ocorren a la batimetria) i els canvis al camp d’onades. La propagació de les onades sobre la batimetria pertorbada crea gradients del transport de sediment longitudinal que causen el creixement i la migració de les ones de sorra. En aquesta tesi s’ha millorat un model morfodinàmic quasi 2D i no lineal per usar-lo per explorar la inestabilitat d’angle gran i predir la formació i evolució de les ones de sorra. El model assumeix que la dinàmica a gran escala i llarg termini està dominada pel transport de sediment longitudinal produït per les onades de manera que la morfodinàmica de la zona de rompents no es detalla. S’han superat algunes de les limitacions dels estudis anteriors de modelat de la inestabilitat d’angle gran. El camp d’onades es calcula amb un mòdul senzill de propagació sobre la batimetria canviant i el transport longitudinal s’estima usant una fórmula empírica. La dinàmica transversal es parametritza per descriure pertorbacions de la línia de costa amb una extensió transversal finita i dinàmica. S’han refinat les condicions sota les quals la inestabilitat d’angle gran produeix la formació d’ones de sorra. Les simulacions amb condicions constants d’onades i pertorbacions inicials aleatòries mostren que la línia de costa esdevé inestable quan l’angle d’incidència a la profunditat de tancament és major que un angle de 42 graus i les ones de sorra es desenvolupen a l’uníson. La dinàmica transversal té un rol essencial al determinar l’extensió transversal de les pertorbacions. Usant els valors per defecte dels paràmetres del model, les ones de sorra tenen espaiats d’entre 2 i 5 km i temps de creixement d’entre 5 i 10 anys, i migren en la direcció del transport a uns 0.5 km/any. Les simulacions també mostren que una pertorbació inicial localitzada desencadena la formació d’un tren d’ones de sorra. Com més obliqües i grans són les onades i com menor és el seu període major és la inestabilitat. Un clima d’onatge més realista, alternant onades d’angle d’incidència gran i petit, redueix el potencial de la inestabilitat d’angle gran. Calen almenys un 80% d’onades d’angle gran perquè es formin ones de sorra. El rang d’onades d’angle petit que poden succeir en una costa és major que el d’onades d’angle gran, i l’efecte estabilitzador de les onades d’angle petit (que produeix difusió) és més important que l’efecte desestabilitzador de les onades d’angle gran (que produeix creixement i migració). Fins i tot si les onades d’angle gran no dominen, el mecanisme d’inestabilitat pot tenir un paper important en la persistència i migració de pertorbacions de la línia de costa a gran escala. Els resultats s’assemblen qualitativament a les observacions d’ones de sorra. L’enfocament quasi 2D permet estudiar més detalls del mecanisme físic que hi ha darrere de la inestabilitat d’angle gran i del fet que existeixin longituds d’ona mínima i òptima per la formació d’ones de sorra. Els processos físics essencials són la dispersió de l’energia de l’onatge degut a la refracció, la concentració d’energia de les onades a les crestes de les ones de sorra i el decreixement monòton del transport litoral quan augmenta l’escala espacial.

Study on conduction mechanismes of mediun voltage cable XLPE insulation in the melting range of temperatures.

Thu, 12 Jul 2012 12:03:05 GMT

Study on conduction mechanismes of mediun voltage cable XLPE insulation in the melting range of temperatures. Orrit Prat, Jordi D’ençà que el polietilè reticulat (XLPE) es va començar a utilitzar com aïllament elèctric per cables de subministrament elèctric, s’han destinat molts esforços a l’estudi de les propietats dielèctriques del polietilè i l’efecte que la càrrega d’espai té sobre el seu comportament. En aquest sentit, les corrents de despolarització estimulades tèrmicament (TSDC) s’han utilitzat extensament per estudiar les relaxacions de càrrega d’espai. Aquesta tècnica ha demostrat tenir prou resolució per distingir diferències en aïllaments de XLPE amb composicions o processos de fabricació diferents. En aquesta tesi, els mecanismes de conducció dels aïllaments XLPE de cables de mitjana tensió (MV) han estat estudiats per TSDC i diverses tècniques complementàries, com l’anàlisi dinàmica elèctrica (DEA), les corrents d’absorció/resorció (ARC), el pols electroacústic (PEA) i les corrents de despolarització isotèrmiques (IDC). Altres tècniques, com l’espectroscòpia d’infrarojos (FTIR) o la difracció de raigs X, han estat també utilitzades per caracteritzar el material. S’han obtingut espectres TSDC per diferents mostres de cable, les quals en condicions de servei treballen en un rang de tensió AC de 12 a 20kV i a temperatures al voltant dels 90ºC. D’altra banda, s’han realitzat mesures de la conductivitat per ARC i DEA en mostres de cable, en cilindres de XLPE i en films. Les mesures s’han dut a terme a temperatures pertanyents al rang de fusió del XLPE (50–110ºC), en mostres sotmeses a aquestes temperatures durant diferents períodes de temps. Els resultats mostren diferències importants entre el comportament de les propietats conductives de les mostres de cable amb pantalles semiconductores (SC) i sense (cilindres de XLPE). El comportament observat ha estat explicat mitjançant la coexistència de dos mecanismes de conducció. La difusió d’impureses des de les pantalles SC determina el comportament d’una d’aquestes contribucions a mig i llarg termini. Els resultats obtinguts per FTIR són consistents amb aquest model. Respecte la microestructura, tant les mesures DSC com la difracció per raigs X mostren que existeixen processos de recristal•lització quan les mostres són sotmeses a temperatures ubicades dins del rang de fusió. Els electrets formats mitjançant el mètode de la polarització per finestres (WP) mostren una descàrrega TSDC amb un ample pic heteropolar en el rang de fusió, amb el màxim al voltant dels 105ºC. En treballs previs, aquest pic es va associar a la fusió de la fracció cristal•lina. Tanmateix, en lloc de decréixer quan la temperatura de polarització augmenta, el pic presenta una temperatura de polarització òptima al voltant de 90-95ºC. Aquest comportament ha estat explicat tenint en compte els processos de recristal•lització que es produeixen quan el material es polaritza isotèrmicament. Durant la recristal•lització, una nova fracció cristal•lina creix en un estat polaritzat degut el camp aplicat, i origina una corrent de despolarització quan es fon durant la mesura TSDC. Amb l’objectiu de determinar l’origen d’altres pics que apareixen en l’espectre TSDC del XLPE, s’han emprat les IDC com a tècnica complementària. Les corrents IDC obtingudes de mostres no tractades es poden representar com la combinació de dues contribucions diferenciades: un terme que és una funció potencial del temps i un d’exponencial. La segona relaxació es correspon amb un pic TSDC que apareix a 95ºC. D’aquesta manera s’ha pogut determinar l’origen dipolar del pic. Finalment, mitjançant la tècnica PEA s’ha obtingut la distribució de la càrrega d’espai en mostres polaritzades que havien estat sotmeses a diferents tractaments tèrmics. S’ha observat un comportament transitori tant per PEA com per TSDC. Tanmateix no s’ha pogut establir cap relació directa entre les descàrregues TSDC i mesures PEA. En conseqüència, s’ha proposat una explicació per les corbes TSDC que considera mecanismes que no són detectables en els perfils de càrrega obtinguts per PEA; Since cross-linked polyethylene (XLPE) started to be used as electrical insulation for power cables, much research has been focused on polyethylene dielectric properties and the effect of the space charge on its behavior. In this sense, thermally stimulated depolarization currents (TSDC) have been widely used to study space charge relaxation. This technique has proved to have enough resolution to determine differences in charge trapping properties among XLPE insulations with different composition and manufacturing processes. In this thesis work, the conduction mechanisms of medium voltage (MV) cable XLPE insulation have been studied by TSDC and several complementary techniques, such as dynamic electrical analysis (DEA), absorption/resorption currents (ARC), pulsed electroacoustic (PEA) and isothermal depolarization currents (IDC). Other techniques, like Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy or X-ray diffractometry, have been used to characterize the material. TSDC spectra have been obtained for different cable samples, which in service conditions work under AC voltages ranging from 12 to 20kV and at temperatures around 90ºC. On the other hand, conductivity measurements by ARC and DEA have been performed in cable samples and in XLPE cylinders, as well as XLPE films. Measurements have been carried out at temperatures within the melting temperature range of XLPE (50–110ºC) on samples annealed at such temperatures during several annealing times. Results show significant differences in the behavior of the conductive properties of XLPE cable samples with semiconducting (SC) screens and without them (XLPE cylinders). The observed behavior has been explained by the coexistence of two conduction mechanisms. Diffusion of impurities from SC screens determines the medium and long-term behavior of one of these contributions and, hence, of cable conductivity. FTIR results are consistent with this model. With respect to microstructure, DSC and X-ray diffractometry results show that recrystallization processes exist when samples are annealed in the melting range of temperatures. Electrets formed by means of the windowing polarization method (WP) showed a TSDC discharge with a wide heteropolar peak in the melting temperature range, and with the maximum at about 105ºC. This peak was associated with the melting of the crystalline fraction in previous works. However, in spite of decreasing with the temperature of polarization, an optimal polarization temperature around 90–95ºC is found. This behavior has been explained by taking into account recrystallization processes when the insulation is isothermally polarized. During recrystallization, the new crystalline fraction grows in a polarized state due to the applied electric field, and it causes the depolarization current when it melts during the TSDC measurement. Results obtained from different experiments are consistent with this assumption. With the aim to find out the origin of other TSDC peaks present in the spectrum of XLPE cable samples, IDC has been used as complementary technique. IDC currents obtained from as-received cable samples at temperatures close to service conditions can be considered as the combination of two different contributions: a power law current and a stretched exponential contribution. The last relaxation process has been successfully associated with with a TSDC peak found at 95ºC. By this way the dipolar origin of the peak has been determined. Finally, PEA measurements have provided the space charge distribution profiles of polarized samples with different annealings. A transient behavior has been observed in both PEA and TSDC measurements. However, no straightforward relation between TSDC discharges and space charge detected by PEA can be established. Therefore, an explanation for TSDC curves has been proposed, which considers mechanisms that are not noticeable in charge profiles obtained by PEA.

Path Integral Monte Carlo and Bose-Einstein condensation in quantum fluids and solids

Tue, 14 Feb 2012 13:52:05 GMT

Path Integral Monte Carlo and Bose-Einstein condensation in quantum fluids and solids Rota, Riccardo Several microscopic theories point out that Bose-Einstein condensation (BEC), i.e., a macroscopic occupation of the lowest energy single particle state in many-boson systems, may appear also in quantum fluids and solids and that it is at the origin of the phenomenon of superfluidity. Nevertheless, the connection between BEC and superfluidity is still matter of debate, since the experimental evidences indicating a non zero condensate fraction in superfluid helium are only indirect. In the theoretical study of BEC in quantum fluids and solids, perturbative approaches are useless because of the strong correlations between the atoms, arising both from the interatomic potential and from the quantum nature of the system. Microscopic Quantum Monte Carlo simulations provide a reliable description of these systems. In particular, the Path Integral Monte Carlo (PIMC) method is very suitable for this purpose. This method is able to provide exact results for the properties of the quantum system, both at zero and finite temperature, only with the definition of the Hamiltonian and of the symmetry properties of the system, giving an easy picture for superfluidity and BEC in many-boson systems. In this thesis, we apply PIMC methods to the study of several quantum fluids and solids. We describe in detail all the features of PIMC, from the sampling methods to the estimators of the physical properties. We present also the most recent techniques, such as the high-order approximations for the thermal density matrix and the worm algorithm, used in PIMC to provide reliable simulations. We study the liquid phase of condensed 4He, providing unbiased estimations of the one-body density matrix g1(r). We analyze the model for g1(r) used to fit the experimental data, highlighting its merits and its faults. In particular we see that, even if it presents some difficulties in the description of the overall behavior of g1(r), it can provide an accurate estimation of the kinetic energy K and of the condensate fraction n0 of the system. Furthermore, we show that our results for n0 as a function of the pressure are in a good agreement with the most recent experimental results. The study of the solid phase of 4He is the most significant part of this thesis. The recent observation of non classical rotational inertia (NCRI) effects in solid helium has generated big interest in the study of an eventual supersolid phase, characterized at the same time by crystalline order and superfluidity. Nevertheless, until now it has been impossible to give a theoretical model able to describe all the experimental evidences. In this work, we perform PIMC simulations of 4He at high densities, according to different microscopic configurations of the atoms. In commensurate crystals we see that BEC does not appear, our model being able to reproduce the momentum distribution obtained form neutron scattering experiments. In a crystal with vacancies, we have been able to see a transition to a superfluid phase at temperatures in agreement with experimental results if the vacancy concentration is low enough. In amorphous solids, superfluid effects are enhanced but appear at temperatures higher than the experimental estimation for the transition temperature. Finally, we study also metastable disordered configurations in molecular para-hydrogen at low temperature. The aim of this study is to investigate if a Bose liquid other than helium can display superfluidity. Choosing accurately a ¿quantum liquid¿ initial configuration and the dimensions of the simulation box, we have been able to frustrate the formation of the crystal and to calculate the temperature dependence of the superfluid density, showing a transition to a superfluid phase at temperatures close to 1 K.

Silver nanostructures: chemical synthesis of colloids and composites nanoparticles, plamon resonance properties and silver nanoparticles monolayer films prepared by spin-coating

Fri, 30 Dec 2011 09:42:13 GMT

Silver nanostructures: chemical synthesis of colloids and composites nanoparticles, plamon resonance properties and silver nanoparticles monolayer films prepared by spin-coating Torres Heredia, Victor Elias El presente trabajo tiene como objetivo desarrollar en solución acuosa y a tem-peratura ambiente, rutas de síntesis química coloidal de nanopartículas de plata y nano-partículas compuestas estables. Se obtienen nanopartículas de plata reproducibles, con un control morfológico de tamaño y forma durante el proceso de síntesis. Llevamos a cabo el estudio de las propiedades ópticas (espectros de absorción de las resonancias de plasmones superficiales (SPR)) que caracterizan a una determinada forma y tamaño. El análisis incluye estructuras nanométricas de plata de diferentes tamaños, en ambientes diversos y formas diferentes, como esferas, prolates, y prismas de diferente sección transversal, etc Se ha demostrado que la síntesis química produce coloides de nanopartículas de plata esféricas y anisotrópicas estables. La morfología y estabilidad de las nanopartícu-las coloidales son estudiadas mediante técnicas de espectroscopia y microscopía elec-trónica. El rol y concentración necesaria de cada uno de los reactivos para producir co-loides estables mediante síntesis química son determinadas. Se ha demostrado que, con-trariamente a las opiniones actualmente expresadas en la literatura, es posible controlar el tamaño de las nanopartículas de plata y obtener coloides de nanopartículas de plata esféricas y anisotrópicas estables por largo tiempo, utilizando una ruta de síntesis quí-mica sencilla y una baja concentración de reactivos estabilizadores (PVP). Recubrimientos de nanopartículas esféricas de plata estabilizadas con polivinilpirroli-dona (PVP) sobre substratos de vidrio óptico son preparados mediante el proceso de spin-coating y un posterior tratamiento térmico. Diferentes morfologías tipo core-shell de Ag@SiO2 son preparados mediante un método químico simple y rápido, sin necesidad de adicionar reactivos de acoplamiento o modificadores superficiales de la sílice. Proponemos mecanismos de reacción para la preparación de diferentes nano-estructuras tipo core-shell de plata-sílice. Las nanopartí-culas compuestas de sílice-plata muestran unas propiedades de absorción de resonancia plasmónica muy evidentes. El trabajo de éste capítulo ha sido realizado en colaboración con Juan C. Flores, quien desarrolló la ruta de síntesis como parte de sus estudios de doctorado. Por último, una modificación del método sol-gel es empleada para la prepara-ción de nanopartículas de TiO2, y partículas compuestas de Ag@TiO2, SiO2@TiO2-Ag y SiO2@Ag@TiO2. Diferentes morfologías tipo core-shell son preparadas mediante un método químico simple y rápido sobre un substrato óxido, sin necesidad de adicionar agentes de acoplamiento o modificaciones superficiales. Las evidentes propiedades de absorción plasmónica de las nanopartículas de plata mostradas por las partículas com-puestas han demostrado la presencia de plata metálica sobre la titania, sin la posterior oxidación de la capa de plata por el contacto directo con la titania (TiO2). Esta evidencia es confirmada por la técnica de microscopía electrónica de alta resolución. Las propie-dades de absorción plasmónica de las partículas compuestas hacen a estos materiales muy prometedores para aplicaciones foto-catalíticas.; The present work aims to develop chemical synthesis routes of stable colloidal silver nanoparticles and composites nanoparticles in aqueous solution at room tempera-ture. We obtain reproducible morphological control of silver nanoparticles size and shape during synthesis solely by solution chemistry and carry out the study of the opti-cal properties (surface plasmon resonances (RPS) absorption spectra) which character-ize a specific shape and size. The analysis includes silver nanosized bodies of different size, in diverse environments and of various shapes, as spheres, prolates, and prisms of different transversal section, etc. Synthetic wet chemistry routes yielding stable colloids of spherical and aniso-tropic silver nanoparticles are demonstrated, and the morphology and stability of the colloidal nanoparticles studied extensively through spectroscopy and electron micros-copy techniques. The role of each reagent and the concentrations required to obtain sta-ble colloid via these wet chemical routes is determined. It was shown that, contrary to commonly expressed opinions in the literature, it is possible to control the particle size of silver nanoparticles and obtain long-term sable colloids of both spherical and aniso-tropic silver nanoparticles using simple chemical routes and low concentration of stabi-lizing agent (PVP). Films of polyvinylpyrrolidone (PVP) stabilized spherical silver nanoparticles are also prepared, by using spin coating on standard optical glass plates and subsequent thermal processing. Different core-shell type morphologies of Ag@SiO2 are also produced using a simple and rapid chemical method, without using added coupling agents or surface modifications of silica. We propose reaction mechanisms for the formation of the dif-ferent silica-silver core-shell nanostructures. The silica-silver composite nanoparticle display clear plasmonic resonance absorption properties. This chapter work has been done in collaboration with PhD student Juan C. Flores who developed the synthesis route as part of his doctoral studies. Finally, a sol-gel chemistry approach was used to fabricate nanoparticles in the systems TiO2, Ag@TiO2, Ag@TiO2-SiO2 and TiO2@Ag@SiO2. Different core-shell morphologies are produced using a simple and rapid chemical method. without using added coupling agents or surface modifications of the oxide substrate. Clear silver na-noparticle plasmonic absorption properties shown by the composite nanoparticles demonstrate the formation of metallic Ag, without the oxidation of Ag nanoshell in di-rect contact with TiO2, evidence confirmed also by high resolution electron microscopy. The plasmonic absorption properties of the composites nanoparticles make them a promising material for photocatalytic applications.

Stochasticity,complexity and synchronization in semiconductor lasers

Fri, 30 Dec 2011 08:57:38 GMT

Stochasticity,complexity and synchronization in semiconductor lasers Tiana Alsina, Jordi The purpose of this Thesis is study the dynamical behavior of semiconductor lasers with optical feedback, as well as analyze the synchronization of this kind of systems under different coupling arquitectures. This study has been done from an experimental point of view, but in some cases we have used numerical models in order to verify and/or extend the experimental results. A semiconductor laser in absence of any optical feedback emits light at constant power. If one wants to induce dynamics in the laser, a good strategy is to introduce an external cavity able to reflect the emitted light back into the laser. Due to this feedback, the laser can show a large variety of dynamical behaviors. In this Thesis we will focus mainly in a dynamical regime known as low frequency fluctuations regime (LFF). The LFF regime takes place when the pump current of the laser is close to its threshold current and the feedback strength is sufficiently large, and it consists in sudden intensity dropouts arising at irregular times, followed by a gradual and stepwise recovery. During this Thesis, we have characterized in detail the dynamical behavior of the time between intensity dropouts for a semiconductor laser with feedback, by using different statistical techniques based on information theory concepts. We have quantified the probability of appearance of certain patterns within the temporal series, as well as its degree of complexity. As a result of these studies, we can conclude that the dynamics of a semiconductor laser with optical feedback is stochastic for pump current values close to the laser threshold. On the other hand, for larger pump currents the dynamics is basically deterministic (chaotic). Numerical simulations have shown a good qualitative and quantitive agreement with the experimental results. During this Thesis we have also studied the ability of semiconductor lasers to synchronize under different coupling architectures. First, we have characterized the leader-laggard dynamics showed by two semiconductor lasers bidirectionally coupled operating at the LFF regime, with a method that takes into account the number of forbidden patterns that appears in the temporal series. We have quantified the degree of stochasticity of the system as a function of the pump current of both lasers. A second coupling architecture studied here, consists in two lasers unidirectionally coupled via two paths. In this case, we have analyzed how the synchronization is affected under different values of the coupling strength of both paths, as well as the potential of this system (or rather, the lack thereof) to be used in chaotic communications. Finally we have characterized the synchronization at zero lag for two lasers coupled bidirectionally via a passive relay. In particular, we have studied the desynchronization events and their statistics for different pump currents. The experimental results obtained in this Thesis give a global perspective of the dynamical statistical properties of semiconductor laser dynamics, both isolated or coupled to other lasers, which contributes to a better understanding of this kind of dynamical systems.; L’objectiu d’aquesta Tesi ´es l’estudi de la din`amica de l`asers de semiconductor amb retroalimentaci´o `optica, aix´ý com l’an`alisis de la sincronitzaci´o d’aquest tipus de sistemes sota diferents arquitectures d’acoblament. Aquest estudi s’ha fet sempre des d’un punt de vista b`asicament experimental, tot i que en alguns casos hem utilitzat models num`erics per tal de verificar i/o ampliar els resultats experimentals. Un l`aser de semiconductor en abs`encia de retroalimentaci´o `optica o altres perturbacions externes, emet llum a una intensitat pr`acticament constant. Aix´ý doncs, si el que es vol ´es indu¨ýr din`amica en el l`aser, una bona estrat`egia ´es introdu¨ýr una cavitat externa capa¸c de reflexar la llum cap al l`aser. Un cop la llum ´es reinjectada, els l`asers de semiconductor poden mostrar una gran varietat de comportaments din`amics. En aquesta tesis ens centrarem principalment en un r`egim din`amic anomenat r`egim de fluctuacions de baixa frequ`encia (LFF en les seves sigles en angl`es). El r`egim d’LFF es d´ona quan el corrent d’injecci´o del l`aser es troba a prop del seu corrent llindar i la intensitat de la retroalimentaci´o ´es suficientment gran, i est`a caracteritzat per sobtades caigudes de la intensitat a temps irregulars, seguides per una recuperaci´o gradual i escalonada. Durant aquesta Tesi, hem caracteritzat de forma detallada el comportament din`amic de la distribuci´o dels temps entre les caigudes d’intensitat d’un l`aser de semiconductor amb retroalimentaci´o `optica, utilitzant diferents m`etodes estad´ýstics basats en conceptes de teoria de la informaci´o. En particular, hem quantificat la probabilitat d’aparici´o de certs patrons dins les s`eries temporals, aix´ý com el grau de complexitat d’aquestes. Durant aquest estudi hem observat que la din`amica d’un l`aser de semiconductor amb retroalimentaci´o es estoc`astica per valors del corrent d’injecci´o propers al corrent llindar del l`aser. D’altra banda, per a valors m´es grans del corrent d’injecci´o la din`amica ´es m´es determinista (ca`otica). Les simulacions num`eriques realitzades han mostrat un acord qualitatiu i quantitatiu amb els resultats experimentals. Durant aquesta Tesi tamb´e hem estudiat la sincronitzaci´o entre l`asers de semiconductor. Hem analitzat diferents arquitectures d’acoblament. Primer hem caracteritzat la din`amica leader-laggard que presenten dos l`asers de semiconductor acoblats bidireccionalment operant en r`egim de LFFs, amb un m`etode que t´e en compte el nombre de patrons prohibits que apareixen en la s`erie temporal. Hem quantificat el grau d’estocasticitat del sistema en funci´o del nivell de bombeig al qual est`an sotmesos els dos l`asers. La seg¨uent arquitectura d’acoblament que hem estudiat consisteix en dos l`asers acoblats unidireccionalment a trav´es de dos camins. En aquest cas hem analitzat com es veu afectada la sincronitzaci´o sota diferents valors de l’acoblament dels dos camins, aix´ý com el potencial d’aquest esquema experimental per realitzar comunicacions ca`otiques. Per ´ultim hem caracteritzat la sincronitzaci´o a retard zero per dos l`asers acoblats bidireccionalment, a on els dos l`asers tenen la seva pr`opia realimentaci´o `optica. En particular, hem estudiat els events de desincronitzaci´o i la seva estad´ýstica per a diferents corrents d’injecci´o. Els resultats experimentals obtinguts en aquesta Tesi, ofereixen una prespectiva global de les propietats estad´ýstiques de la din`amica de l`asers de semiconductor, tant a¨ýllats com acoblats a altres l`asers, que contribueixen a entendre millor aquests sistemes din`amics.

Estudio de modelos de ión polarizables para sales fundidas mediante dinámica molecular

Tue, 06 Sep 2011 11:25:10 GMT

Estudio de modelos de ión polarizables para sales fundidas mediante dinámica molecular Bitrián Varea, Vicente La presente tesis es un estudio mediante simulaciones de dinámica molecular de los efectos de la polarización inducida en las propiedades de las sales fundidas, en concreto de los haluros de plata. Estas sales se caracterizan por exhibir en estado sólido conductividades iónicas excepcionalmente altas, comparables a las de los haluros alcalinos en fase líquida, lo que se conoce como comportamiento superiónico. Las aplicaciones tecnológicas de las sales superiónicas abarcan ámbitos diversos, como las baterías recargables de litio ligeras, las pilas de combustible o los sensores de gas. Los modelos utilizados para reproducir el comportamiento de las sales fundidas pueden clasificarse en dos categorías, modelos de ión polarizable (PIM) o de ión rígido (RIM), según si incluyen o no los momentos dipolares inducidos en los iones. Si en los PIM se asume que los momentos dipolares son debidos únicamente al campo eléctrico creado por los demás iones, en determinadas circunstancias puede producirse la polarización catastrófica, que consiste en un crecimiento incontrolado de los momentos dipolares iónicos. Las causas de esta anomalía y las circunstancias en que tiene lugar han sido analizadas teóricamente, y para evitarla se ha propuesto un nuevo tipo de PIM en los que a la polarización inducida por el campo eléctrico se añade la debida a la deformación de las capas electrónicas de los iones como consecuencia de su solapamiento con las de los vecinos más próximos. La influencia de la polarización en la estructura y el transporte iónico de AgBr y AgI fundidos se ha valorado comparando los resultados obtenidos con RIM y diversos PIM. Las propiedades simuladas con PIM en los que se tiene en cuenta la polarizabilidad de los aniones muestran un mejor acuerdo con los resultados experimentales, lo que permite concluir que la polarización juega un papel importante en estas sales. En particular, se consiguen reproducir los rasgos más característicos de los factores de estructura coherente estáticos obtenidos mediante la difracción de neutrones, como el triple rizado del pico principal de AgBr o el prepico de AgI. Las simulaciones permiten demostrar además que dicho prepico señala la existencia de una ordenación de medio alcance propiciada por la creación de zonas de baja densidad de cationes (o voids) como consecuencia de la inducción de polarización. Se ha deducido el teorema de fluctuación-disipación para la función de respuesta dieléctrica en PIM, que revela que la respuesta de una sal a un campo eléctrico externo débil depende de las correlaciones en el equilibrio entre momentos dipolares. El comportamiento de las propiedades dieléctricas de AgI y NaI fundidos muestra diferencias importantes en función de si se incluyen o no los efectos de la polarización. Además se han llevado a cabo simulaciones de AgI en estado sólido, que permiten reproducir el comportamiento superiónico de la fase -AgI, y se ha comenzado a estudiar de forma preliminar la estructura de CuI fundido, obteniendo de nuevo una mejora sustancial al tener en cuenta la polarización inducida en los iones de iodo.; The present PhD Thesis is a molecular dynamics (MD) study of the effects of induced polarization on the properties of molten salts, in particular silver halides. These salts are notable for exhibiting exceptionally high values of ionic conductivity in solid phase, comparable to those of molten alkali halides. Such a behaviour is known as superionic. The technological applications of superionic salts are widespread, ranging from lightweight high-power-density lithium-ion batteries to fuel cells or gas sensors. The models used to reproduce the molten salts behaviour can be classified into two categories: polarizable ion models (PIM) or rigid ion models (RIM), depending on whether they include or not the dipole moments induced on the ions. The PIM in which it is assumed that dipole moments are only caused by the electric field created by other ions can yield, in certain situations, to an unphysical growth of ionic dipoles, known as polarization catastrophe. The causes of this anomaly, and the circumstances in which it takes place, have been studied analytically, and a new type of PIM has been suggested to solve it. In these new models, a contribution to the polarization is added to that induced by the electric field, due to the deformation of the electronic shells of the ions as a consequence of their overlap with nearest-neighbour shells. The influence of polarization on the structure and ionic transport of molten silver bromide (AgBr) and iodide (AgI) has been assessed by comparing the results obtained with RIM and several different PIM. The properties simulated with PIM in which anion polarizability is allowed for show an improved agreement with experimental results. This fact allows us to conclude that polarization plays a major role in these salts. In particular it is possible to reproduce the main features of the coherent static structure factors obtained experimentally by neutron diffraction, like the three-peak feature characteristic of AgBr or the prepeak in AgI. Furthermore, MD simulations are useful to suggest that this prepeak signals the existence of a medium-range order in the salt structure, related to the opening of low-density cationic regions (or voids) as a result of induced polarization. The fluctuation-dissipation theorem for the dielectric response function in PIM has been theoretically derived. It proves that the molten salt response to the application of a weak external electric field depends on the equilibrium correlations of charge- and dipole moment-density. Molten AgI and NaI dielectric properties show important differences if polarization effects are included or not in the model. Simulations of silver iodide in solid state have been also performed, that succeed in reproducing the superionic behaviour of -AgI phase. In addition, a preliminary study of the structure of molten CuI has been made that concludes that substantial improvement is obtained provided that polarization induced on iodide ions is considered in the description.

Bubble and droplet flow phenomena at different gravity levels

Tue, 26 Jul 2011 11:59:46 GMT

Bubble and droplet flow phenomena at different gravity levels Suñol Galofré, Francesc Two-phase flows are encountered in a wide range of applications both on-ground and in space. The dynamics of such flows in the absence of gravity is completely different from that in normal gravity due to the absence of buoyancy forces. A deeper understanding of the behavior of multiphase flows is essential in order to improve the operation of devices which require the use of two-phase systems. Analytical and experimental work is still needed for enhancing the control of two-phase flows, due to the theoretical complexity and the lack of experimental data for certain configurations. In this work, the behavior of two-phase flows has been studied experimentally in normal gravity and in microgravity conditions. In particular, the single-jet configuration has been investigated for bubbly jets and droplet jets. Dynamics of individual bubbles and droplets as well as the global structure of the jets has been considered. The opposed-jet configuration has been investigated for bubbly flows. Different separation between jets and orientation angles have been studied in normal gravity, and the obtained results have been compared to the microgravity case. A numerical model has been implemented to study single-phase jet impingement and opposed bubbly jets at different gravity levels. Good qualitative agreement between the simulations and the experiments has been obtained. The bubble bouncing process, prior to coalescence, after collision with a flat free surface has been also studied experimentally in normal gravity conditions. The results presented in this work will help to improve the general understanding of two-phase flows in normal gravity and in microgravity conditions, with general applications on mixing devices, environmental and propulsion systems.

Nonlinear frequency conversion under general phase mismatched condition: the role of phase locking and random nonlinear domains

Mon, 25 Jul 2011 12:22:18 GMT

Nonlinear frequency conversion under general phase mismatched condition: the role of phase locking and random nonlinear domains Vito, Roppo In the field of second harmonic (SH) generation most studies have been concerned with maximizing conversion efficiencies, generally achievable at the phase matching (PM) condition. Outside of the PM the conversion efficiency drastically decreases. This has caused that the possible working conditions out of PM to remain largely unexplored. In this thesis work we initiated a systematic study of the SH behavior in under conditions of large phase mismatch. When a pump pulse crosses an interface between a linear and a nonlinear medium there are always two generated SH components. These components may be understood on the basis of the mathematical solution of the inhomogeneous wave equations at the SH frequency. The homogeneous (HOM) solution is a component with wave-vector k(2¿) as expected from the dispersion relation and exchanges energy with the pump until the inevitable walk-off. The inhomogeneous (INH) solution is a component with a wave-vector 2k(¿), twice the pump wave-vector, and travels locked to the pump pulse. We divide our work in two parts, one for each generated component. Inhomogeneous component. We start a systematic study of the behavior of the generated INH component, phase locked to the pump. The consequences of phase locking (PL) can guide us towards new scenarios by allowing working conditions hitherto assumed inaccessible for absorbing materials. We show that while the HOM component travels with the group velocity given by material dispersion, the IHN component is captured by the pump pulse and experiences the same effective dispersion of the pump. It does not follow the PM condition. It naturally follows that the suppression of absorption at the SH wavelengths will occur if the pump is tuned to a region of transparency. We extended the same theory for the generated third harmonic (TH). We then studied the surprising behavior of SH and TH INH components with frequencies above the absorption edge when the material is placed inside a cavity resonant only at the fundamental frequency. We have shown that the PL mechanism not only inhibits absorption but also fosters the enhancement of harmonic generation by several orders of magnitude compared to the no-cavity case. Finally, we tested the INH SH and TH behaviors in metallic frequency regime of material. Homogeneous component. The techniques used to PM the nonlinear interaction enable efficient nonlinear interactions but drastically limit the spectral bandwidth of the nonlinear optical process, making the designed frequency converter only suitable for a fixed input wavelength and single interaction only. It has been shown that the use of disordered nonlinear media relaxes the PM condition thus allowing one to achieve relatively efficient broad bandwidth regime of the frequency conversion. An example of a quadratic nonlinear medium with a disordered domain structure is an un-poled Strontium Barium Niobate (SBN) crystal. It is composed of a system of random size anti parallel ferroelectric domains that allow to phase-match any second-order parametric process over a broad range of wavelengths without any poling. We have initiated an experimental and theoretical investigation of the properties of the SH waves generated in SBN crystals, with an extension to the generated TH. This study covers the coherence and polarization properties of the generated signal, as well as its spatial distribution. In addition, we have made an experimental study of the noncollinear interaction of short optical pulses in a SBN crystal by using two fundamental waves intersecting inside the crystal. We have shown that this effect may be employed as a simple tool for monitoring both the pulse duration and initial chirp. This method offers a simple and economic alternative to the existing methods for pulse characterization.

Respuesta extrínseca y comportamiento no lineal en materiales cerámicos piezoeléctricos

Tue, 24 May 2011 11:11:26 GMT

Respuesta extrínseca y comportamiento no lineal en materiales cerámicos piezoeléctricos Ochoa Guerrero, Diego Alejandro The study of the elastic, dielectric and piezoelectric non-linear behavior in PZT-based and KNN-based piezoelectric ceramics represent the main goal of this work. Both systems present a perovskite-like structure. Several experimental set-ups were designed, mounted and automated to be used in this study. First, the elastic non-linear response, in resonance, is measured. The purpose is to study the variation of the elastic coefficient of the material when it is submitted to high stress. A model is formulated based on the variation of the coefficients due to the increase in amplitude of the high stress applied. The correspondence between the model and the experimental observations is verified. The results show a good agreement in soft PZT case but not in hard PZT, confirming that is not possible to assume a non-linear -like dependence for hard PZT coefficients. Secondly, we take a view of the dielectric, piezoelectric and elastic response over the temperature. The purpose of the study is to evaluate the contribution of the extrinsic effect to piezoceramics response. Anomalous behavior of the macroscopic properties of the hard PZT around the Room Temperature is observed. A preliminary model is proposed to explain such behavior. The contribution of the extrinsic effect to the macroscopic properties in a KNN compound is evaluated and the results suggest that the anomaly observed around Room Temperature would be associated, in this case, with the presence of a structural transition between two ferroelectric phases. Temperature dependent non-linear dielectric response is also observed. The study was carried out by measuring the dielectric permittivity at low frequencies and at high applied electric fields in a temperature range from 20K till 400K. The results have been analyzed using the Rayleigh model. The change in the hard PZT dynamic walls is shown and explained through an intuitive model. The results obtained in the KNN system display a soft PZT like behavior at Room Temperature. Nevertheless, the anomaly observed in the dielectric proper ties around Room Temperature was associated to the above mentioned structural transition between two ferroelectric phases. Finally, temperature dependent mechanical non-linear response in soft PZT ceramics is studied. The variations of the coefficients with the stress and with the temperature are studied and the similarities between the linear and non-linear regime are assessed. It is observed that the change of the extrinsic contribution with the temperature is qualitatively similar that the variation observed by the application of the high mechanical stress, thus indicating that the effect is due to a common phenomenon.

Probing the near-field optical response of plasmon nanostructures with two-photon luminescence microscopy

Mon, 16 May 2011 12:31:38 GMT

Probing the near-field optical response of plasmon nanostructures with two-photon luminescence microscopy Ghenuche, Petru Virgil Esta tesis describe el diseño, la fabricación y la caracterización óptica de sistemas plasmónicos resonantes capaces de confinar y aumentar campos de luz en la escala manométrica. En primer lugar, se utilizaron modelos numéricos 3D para diseñar diferentes geometras de nanoestructuras plasmónicas acopladas, a través del cálculo de la respuesta óptica de su campo lejano y cercano. Sobre la base de estas simulaciones se fabricaron las nanoestructuras por litografía de haz electrónico. Se puso especial énfasis en el aumento de la resolución y la optimización de la reproducibilidad de parámetros críticos como la forma de las partículas y el gap entre ellas. Por último, se empleó espectroscopía de campo lejano combinada con espectroscopía de luminiscencia inducida por dos fotones (TPL) para sondar la respuesta óptica local de las geometrías optimizadas. Hemos centrado nuestra atención en diferentes tipos de estructuras metálicas: dímeros, antenas con gap, conjuntos finitos de partículas en cadenas y en forma de estrella. Los dímeros tienen una fuerte amplificación del campo en su gap nanométrico por el acoplamiento en campo cercano de sus resonancias plasmonicas dipolares. Análogamente, antenas con gap, formadas por dos barras de oro adyacentes que soportan resonancias multipolares, pueden acoplar de manera eficiente la luz y concentrarla en volúmenes pequeños. Se ha demostrado que cadenas finitas de partículas son buenos candidatos para guiar la luz a través de secciones transversales por debajo de la longitud de onda y aquí demostramos que también se pueden utilizar como nanolentes capaces de concentrar la luz en su extremo. La distribución del campo cercano en conjuntos de partículas de oro en forma de estrella presenta una fuerte dependencia con la polarización del campo incidente que puede ser explotada para dirigirse dinámicamente a nano-objetos. La espectroscopía de campo lejano de conjuntos de dímeros y de cadenas finitas de partculas se comparó con la espectroscopía de TPL. Nuestro principal resultado es mostrar que la TPL es preferentemente sensible a los campos locales, permitiendo evaluar características espectrosc ópicas que no podrían resolverse de otro modo. A fin de superar las limitaciones de las medidas de conjuntos, en una segunda etapa se dedicó un considerable esfuerzo a construir y optimizar un montaje óptico para medir la señal de TPL de estructuras únicas. El uso de la micro-espectroscopía de TPL permitió obtener mapas espectrales de los modos de antenas aisladas con resolución espacial. Como se predijo mediante cálculos, hemos sido capaces de visualizar directamente, en la resonancia, la señal de TPL amplificada dentro del gap. Nuestros resultados muestran cómo las medidas de TPL pueden compararse directamente con la distribución de la cuarta potencia del campo local calculado. Mediante el análisis de la evolución de la señal de TPL en función de la longitud de onda incidente en el gap y en las extremidades de la antena tenemos más conocimiento sobre el mecanismo físico detrás de la resonancia de la antena. Finalmente, la microscopía de TPL se utilizó para sondar el campo cercano para diferentes orientaciones de la polarización lineal incidente sobre los conjuntos de partículas en forma de estrella. Se demuestra que, a diferencia del espectro de dispersión, la distribución de TPL en la estructura depende drásticamente del estado de polarización incidente. Nuestro estudio aporta una contribución significativa al campo de la óptica de plasmones, proponiendo nuevas geometrías para confinar de manera eficiente los campos ópticos a la escala nanometrica, aportando un profundo conocimiento sobre el uso de micro-espectroscopa de TPL como sonda óptica local. Nuestros resultados tendrán importancia en aplicaciones tales como espectroscopía mejorada, biosensores y la interacción luz-materia, donde se necesita evaluar el campo experimentado por una pequeña cantidad de materia cercana a la nanoestructura.; This thesis describes the design, fabrication and the optical characterization of plasmon-resonant systems able to confine and enhance light fields down to the sub-wavelength scale. Extensive 3D numerical modeling was first used to design different geometries of coupled plasmonic nanostructures through the calculation of their far-field and near-field optical response. On the basis of simulations, the nanostructures were fabricated by e-beam lithography and thin film deposition. Special efforts were devoted to increasing the resolution and optimizing the reproducibility of critical parameters such as particle shape and interparticle gaps. Finally, far-field spectroscopy combined with two-photon induced luminescence (TPL) spectroscopy was used to probe the local optical response of the optimized architectures. We focused our attention on different families of structures: metal dimers, bar antennas, finite chains of nanoparticles and star-like particle arrangements. Particle dimers feature strong field enhancements in their sub-wavelength gap due to near-field coupling of their dipolar localized plasmon resonances. Based on the same physics, gap antennas, formed by two adjacent gold bars supporting multipolar resonances can efficiently couple to propagating light and concentrate it into tiny volumes. While finite particle chains were previously shown by other authors to be good candidates to guide light through subwavelength cross-sections, we show here that they can also be used as efficient nanolenses able to concentrate light at their extremity. Finally, the near-field distribution in star-like arrangements of gold nanoparticles exhibits a strong dependence with the incident field polarization which can be exploited for dynamical optical addressing of nano-objects. We have compared the far field spectroscopy of large ensembles of dimers and finite chains to TPL spectroscopy. Our main result is to show that TPL is preferentially sensitive to local fields and that it enables the assessment of spectroscopic features which cannot be resolved otherwise. In order to overcome the limitations of measurements on large ensembles a considerable effort was dedicated to mounting and optimizing an optical set-up enabling TPL measurement of single structures. Using the developed TPL micro-spectroscopy, spatially resolved spectral mode mapping on single resonant gap-antennas was achieved. As predicted by calculations, we were able to directly visualize at resonance the strongly enhanced TPL signal within the gap. Our results show how TPL scans can be directly compared with the convoluted distribution of the fourth power of the calculated local mode field. By monitoring the evolution with the incident wavelength of the TPL signal within the gap and at the antenna extremities we got further insight in the physical mechanism behind the buildup of the antenna’s resonance. Finally, TPL microscopy was used to probe the local fields under different orientations of the incident linear polarization near star-like arrangement of gold disks. It is shown that, unlike the scattering spectrum, the TPL distribution over the structure is found to depend drastically on the incident polarization state. Our study brings a significant contribution to the field of Plasmon optics by proposing novel geometries able to efficiently confine optical fields down to the nanometric scale, but also by providing deep insight into the use of TPL microspectroscopy to probe their local optical response. Our findings are foreseen to be important in applications such as enhanced spectroscopy, bio-sensing and enhanced light-matter interaction, where one needs to assess the actual field experienced by small amounts of matter.

Multiscale techniques in turbulence: application to geophysical fluids and operational oceanography

Wed, 20 Apr 2011 09:02:46 GMT

Multiscale techniques in turbulence: application to geophysical fluids and operational oceanography Nieves Calatrava, Veronica Ursula

Individual-based modeling of Plasmodium falciparum erythrocyte infection in in vitro cultures

Tue, 12 Apr 2011 15:19:07 GMT

Individual-based modeling of Plasmodium falciparum erythrocyte infection in in vitro cultures Ferrer Savall, Jordi La malària és encara avui en dia una malaltia que causa aproximadament un milió de morts a l'any a tot el món. La seva eradicació suposa un gran repte per a la humanitat i per a la comunitat científica, en particular. El cultiu in vitro del paràsit és essencial per al desenvolupament de nous medicaments. Els mètodes de cultiu actuals es basen en l'heurística i requereixen millores.
En aquesta tesi es presenta una aproximació teòrica al procés d'infecció a eritròcits en cultius in vitro amb Plasmodium falciparum, un dels protozous paràsits causants de la malària. El treball està centrat en la construcció i avaluació de models d'una complexitat adequada per tractar els problemes específics detectats pels experts en l'àmbit, i inclou també la formulació d'algorismes de simulació i el disseny de protocols experimentals.
Aquest tipus de treball requereix de la col·laboració multidisciplinària. La visió dels experts en malària es complementa amb la modelització i simulació, que permet la comprovació dels supòsits preestablerts, la comprensió de fenòmens observats i la millora dels mètodes de cultiu actuals. Així doncs, cal establir i desenvolupar eines que permetin crear, analitzar i compartir models amb grups que estudien la malària des d'altres perspectives. En aquesta tesi, s'ha optat per la modelització basada en l'individu (IbM) i orientada a la reproducció de múltiples patrons (PoM). El model s'ha formulat seguint l'ODD, un protocol estàndard en el camp de l'ecologia teòrica, que s'ha adaptat a la representació de comunitats microbianes.
Els models basats en l'individu (IbMs) defineixen un conjunt de normes que regeixen el comportament de cada cèl·lula i les seves interaccions amb les altres cèl·lules i amb el seu entorn immediat. A partir d'aquestes regles, i tenint en compte una certa diversitat dins de la població i un cert grau d'aleatorietat en els processos individuals, els IbMs mostren explícitament el comportament emergent del sistema en conjunt. Complementàriament, s'han aplicat conceptes propis de la termodinàmica per tal d'entendre
l'aparició de patrons macroscòpics a partir de l'estructura de la població (per exemple de la distribució de les fases d'infecció entre els glòbuls vermells infectats).
Aquesta recerca ha comportat la la creació i aplicació del model i simulador INDISIM-RBC, que ha demostrat ser una bona eina per millorar la comprensió dels cultius estudiats. Es tracta d'un model mecanicista, basat en l'individu, que reprodueix quantitativament els patrons observats en cultius reals a diferents nivells de descripció, i que en prediu el comportament sota determinades condicions.
Hem demostrat que INDISIM-RBC pot ser emprat per a estudiar en detall alguns aspectes del cultiu del paràsit causant de la malària que calia aclarir. Permet realitzar experiments virtuals i així impulsar noves línies de recerca i explorar noves tècniques de cultiu. En particular, INDISIM-RBC s'ha utilitzat per millorar els protocols experimentals actuals del cultius estàtics, definint la geometria òptima de l'hematòcrit i els protocols de subcultiu més adequats per als cultius continus.
El treball realitzat en malària s'ha comparat amb la investigació duta a terme pel grup de recerca em relació amb d'altres comunitats microbianes. D'aquesta manera, podem estudiar les propietats emergents dels sistemes microbians en general en relació als efectes de la individualitat de la cèl·lula, la diversitat de les poblacions, l'heterogeneïtat en el medi, o el caràcter local de les interaccions, entre d'altres. Aquesta visió general proporciona eines conceptuals que poden ser emprades per refinar l'anàlisi dels processos d'infecció sota estudi.; Malaria is still a major burden that causes approximately one million deaths annually worldwide. Its eradication supposes a great challenge to the humanity and to the scientific community, in particular. In vitro cultivation of the parasite is essential for the development of new drugs. Current culture methods are based on heuristics and demand for specific improvements.
The present thesis is a theoretical approach to in vitro cultivation of the protozoan parasite Plasmodium falciparum infecting human red blood cells. It mainly focuses on the process of building a model of appropriate complexity to deal with the specific demands above mentioned, but it also includes the formulation and implementation of algorithms, and the design and execution of experimental trials.
This kind of work requires multidisciplinary collaboration: the insight of the experts in malaria research is complemented with modeling and simulation, which allows for checking settled assumptions, increasing the understanding on the system and improving the current culturing methods.
The use of tools for building, analyzing and sharing models is an imperative to this end. In this thesis, Pattern-oriented Modeling (PoM) has been adopted as the most appropriate way for raising of models and the ODD protocol (Objectives, Design Concepts and Details) has been proposed as the standard tool for communicating them.
Individual-based Modeling (IbM) has been used to tackle malaria culture systems. IbMs define a set of rules governing each cell, its interactions with others and with its immediate surroundings. From this set of rules, and taking into account diversity within the population and a certain degree of randomness in the individual processes, IbMs explicitly show the emerging behavior of the system as a whole. Methods from statistical thermodynamics have been applied to understand the emergence of macroscopic patterns from the population structure (e.g. distribution of infection stages among infected red blood cells).
The research resulted in the development of the model and simulator INDISIM-RBC, which has proved to be a good tool to improve understanding of the cultures under study. It is a mechanistically rich individual-based model and it quantitatively reproduces and predicts several patterns observed in real cultures at different levels of description.
We demonstrated that INDISIM-RBC can be used to study in detail several aspects of malaria cultivation that remained unclear, as well as to perform virtual experiments. Consequently, it can be used to open novel lines of research and to examine potential experimental techniques. INDISIM-RBC has also been used to improve the current experimental culturing protocols in static cultivation by obtaining the optimal geometry of the hematocrit layer and subcultivation periods in the continuous cultures.
This study on malaria has been compared to the research carried out by the group regarding other microbial communities. Thereby studying general emerging properties of microbial systems in general, with regard to the effect of cell individuality, heterogeneity and diversity, the local nature of interactions; and biological and spatial complexity. In doing so, the acquired holistic view has been used to develop tools that allow for a better characterization and study of the infection process, in particular.

Ultracold dipolar gases in optical lattices

Tue, 12 Apr 2011 15:19:07 GMT

Ultracold dipolar gases in optical lattices Trefzger, Christian Esta tesis es un trabajo teórico, en el que estudiamos la física de los átomos dipolares bosónicos ultrafríos en retículos ópticos. Éstos gases consisten de átomos o moléculas bosónicas, enfriados bajo la temperatura de degeneración cuántica, típicamente del orden de nK. En éstas condiciones, en una trampa armónica tridimensional (3D), los bosones que interaccionan débilmente condensan y forman un Condensado de Bose Einstein (BEC). Cuando se carga un BEC en un retículo óptico producido por ondas estacionarias de luz láser, se producen nuevos fenómenos físicos. Estos sistemas entonces realizan modelos de tipo Hubbard y pueden ser llevados a regimenes fuertemente correlacionados.

En 1989, M. Fisher et. al. predecían que el modelo de Bose-Hubbard homogéneo (BH) presenta la transición de fase cuántica Superfluid-Mott insulator (SF-MI). En 2002, la transición entre éstas dos fases fue observada experimentalmente por primera vez en el grupo de T. Esslinger e I. Bloch. La realización experimental de un BEC dipolar de cromo en el grupo de T. Pfau, y los progresos recientes en las técnicas de enfriamiento y atrapamiento de moléculas dipolares en los grupos de D. Jin e J. Ye, han abierto el camino hacia los gases cuánticos ultra-fríos dominados por la interacción dipolar. La evolución natural, y el reto de hoy en día por parte experimental, es de cargar BEC dipolares en retículos ópticos y estudiar los gases dipolares fuertemente correlacionados.

Antes de éste trabajo de doctorado, estudios sobre modelos de BH con interacciones extendidas a los primeros vecinos mostraron la evidencia de nuevas fases cuánticas, como el supersólido (SS) y la fase checkerboard (CB). Debido al carácter de largo alcance de la interacción dipolo-dipolo, que decae con la potencia cúbica inversa de la distancia, es necesario incluir más de un primer vecino para obtener una descripción fiel y cuantitativa de los sistemas dipolares. De hecho, al incluir más vecinos se permiten y se estabilizan aún más nuevas fases.

En esta tesis estudiamos modelos de BH con interacciones dipolares, investigando más allá del estado fundamental. Estudiamos un retículo bidimensional (2D) donde los dipolos están polarizados en dirección perpendicular al plano 2D, dando lugar a una interacción dipolar repulsiva e isotrópica. Utilizamos aproximaciones de campo-medio y un ansatz Gutzwiller, que son suficientemente correctos y adecuados para describir este sistema. Encontramos que los gases dipolares en 2D presentan una multitud de estados metaestables de tipo MI, que compiten con el estado fundamental, de modo parecido a sistemas desordenados. Estudiamos en detalle el destino de estos estados metaestables: como pueden ser preparados de manera controlada, como pueden ser detectados, cual es su tiempo de vida debido al tunnelling, y cual es su rol en los procesos de enfriamiento. Además, encontramos que el estado fundamental está caracterizado por estados MI de tipo checkerboard con coeficiente de ocupación n fraccionario (numero medio de partículas por sitio) que depende del cut-off utilizado en el radio de alcance de la interacción. Confirmamos esta predicción estudiando el mismo sistema con métodos Quantum Monte Carlo (worm algorithm). En este caso no utilizamos ningún cut-off en el radio de alcance de la interacción, y encontramos pruebas de una "Devil's staircase" en el estado fundamental, i.e. donde las fases MI aparecen en todos los n racionales del retículo subyacente. Encontramos además, regiones de los parámetros donde el estado fundamental es supersólido, obtenido drogando los sólidos con partículas o con agujeros.

En este trabajo, investigamos también como cambia la estructura precedente en 3D. Nos focalizamos en el retículo 3D más sencillo compuesto de dos planos 2D, en el cual los dipolos están polarizados perpendicularmente a los planos; la interacción dipolar es entonces repulsiva por partículas del mismo plano, mientras es atractiva por partículas en el mismo sitio de dos planos diferentes. En cambio suprimimos el tunnelling entre los planos, lo cual hace el sistema equivalente a una mezcla bosónica en un retículo 2D. Nuestros cálculos muestran que las partículas se juntan en parejas, y demostramos la existencia de la nueva fase cuántica Pair Super Solid (PSS).

Actualmente estamos estudiando un retículo 2D donde los dipolos están libres de apuntar en ambas direcciones perpendicularmente al plano, lo cual resulta en una interacción a primeros vecinos repulsiva (atractiva) por dipolos alineados (anti-alineados). Encontramos regiones de parámetros donde el estado fundamental es ferromagnético u anti-ferromagnético, y encontramos pruebas de la existencia de la fase cuántica Counterflow Super Solid (CSS).
Las nuestras predicciones tienen directas consecuencias experimentales, y esperamos que vengan pronto controladas en experimentos con gases dipolares atómicos y moleculares ultra-fríos.; This thesis is a theoretical work, in which we study the physics of ultra-cold dipolar bosonic gases in optical lattices. Such gases consist of bosonic atoms or molecules, cooled below the quantum degeneracy temperature, typically in the nK range. In such conditions, in a three-dimensional (3D) harmonic trap, weakly interacting bosons condense and form a Bose-Einstein Condensate (BEC). When a BEC is loaded into an optical lattice produced by standing waves of laser light, new kinds of physical phenomena occur.

These systems realize then Hubbard-type models and can be brought to a strongly correlated regime. In 1989, M. Fisher et. al. predicted that the homogeneous Bose-Hubbard model (BH) exhibits the Superfluid-Mott insulator (SF-MI) quantum phase transition. In 2002 the transition between these two phases were observed experimentally for the first time in the group of T. Esslinger and I. Bloch. The experimental realisation of a dipolar BEC of Chromium by the group of T. Pfau, and the recent progresses in trapping and cooling of dipolar molecules by the groups of D. Jin and J. Ye, have opened the path towards ultra-cold quantum gases with dominant dipole interactions. A natural evolution and present challenge, on the experimental side is then to load dipolar BECs into optical lattices and study strongly correlated ultracold dipolar lattice gases.

Before this PhD work, studies of BH models with interactions extended to nearest neighbours had pointed out that novel quantum phases, like supersolid (SS) and checkerboard phases (CB) are expected. Due to the long-range character of the dipole-dipole interaction, which decays as the inverse cubic power of the distance, it is necessary to include more than one nearest neighbour to have a faithful quantitative description of dipolar systems. In fact, longer-range interactions tend to allow for and stabilize more novel phases.

In this thesis we study BH models with dipolar interactions, going beyond the ground state search. We consider a two-dimensional (2D) lattice where the dipoles are polarized perpendicularly to the 2D plane, resulting in an isotropic repulsive interaction. We use the mean-field approximations and a Gutzwiller ansatz which are quite accurate and suitable to describe this system. We find that dipolar bosonic gas in 2D exhibits a multitude of insulating metastable states, often competing with the ground state, similarly as in a disordered system. We study in detail the fate of these metastable states: how can they be prepared on demand, how they can be detected, what is their lifetime due to tunnelling, and what is their role in various cooling schemes. Moreover, we find that the ground state is characterized by insulating checkerboard-like states with fractional filling factors v(average number of particles per site) that depend on the cut-off used for the interaction range. We confirm this prediction by studying the same system with Quantum Monte Carlo methods (the worm algorithm). In this case no cut-off is used, and we find evidence for a Devil's staircase in the ground state, i.e. where insulating phases appear at all rational of the underlying lattice. We also find regions of parameters where the ground state is a supersolid, obtained by doping the solids either with particles or vacancies.

In this work, we also investigate how the previous scenario changes in 3D. We focus on the simplest 3D lattice composed of two 2D layers in which the dipoles are polarized perpendicularly to the planes; the dipolar interaction is then repulsive for particles laying on the same plane, while it is attractive for particles at the same lattice site on different layers. Instead we consider inter-layer tunnelling to be suppressed, which makes the system analogous to a bosonic mixture in a 2D lattice. Our calculations show that particles pair into composites, and demonstrate the existence of the novel Pair Super Solid (PSS) quantum phase.
Currently we are studying a 2D lattice where the dipoles are free to point in both directions perpendicularly to the plane, which results in a nearest neighbour repulsive (attractive) interaction for aligned (antialigned) dipoles. We find regions of parameters where the ground state is ferromagnetic or antiferromagnetic, and find evidences for the existence of a Counterflow Super Solid (CSS) quantum phase.
Our predictions have direct experimental consequences, and we hope that they will be soon checked in experiments with ultracold dipolar atomic and molecular gases.

Propagació i generació de llum en nanoestructures fotòniques

Tue, 12 Apr 2011 15:19:06 GMT

Propagació i generació de llum en nanoestructures fotòniques Botey Cumella, Muriel Els materials nanoestructats periòdics han ofert, en les dues darreres dècades, un nou marc per a l'estudi de la interacció entre la radiació electromagnètica i la matèria. Aquestes estructures permeten modelar les propietats electromagnètiques dels materials i han esdevingut una eina idònia per confinar, guiar, suprimir, localitzar, dividir, dispersar, i filtrar la llum. L'abast del control de radiació electromagnètica va des de la propagació fins a la generació de la llum. Els cristalls fotònics han demostrat ser eficients per suprimir o afavorir mecanismes de generació de llum com l'emissió espontània o els processos no lineals.

L'eix central d'aquesta tesi se centra en investigar els efectes fintis i fins a quin punt les propietats d'estructures ideals infinites o infinitament periòdiques es mantenen per a estructures que tenen un caràcter finit. Fins fa poc, els desenvolupaments tant experimentals com teòrics en el camp de cristalls fotònics es basaven, principalment, en càlculs que consideraven estructures ideals amb condicions de contorn perfectament periòdiques. Des dels inicis del camp, però, es van observar desajustos a les prediccions fetes amb aquestes condicions. Tanmateix, alguns d'ells resten, en gran part, inexplicats. En aquest el treball, tractem alguns d'aquests aspectes relacionats amb la propagació i generació del llum en cristalls fotònics finits reals, és a dir, com els que es fabriquen. Amb aquest propòsit, en realitzem un estudi tant teòric com experimental. Estudiem els efectes fintis tant en la regió de la primera banda de reflexió de Bragg com en el rang d'energies altes, on la longitud d'ona de la llum és de l'ordre o més petita que el paràmetre de xarxa.

En concret, part del treball es dedica a l'estudi dels cristalls col·loïdals en el rang d'energies baixes. Desenvolupem un model vectorial 3D en l'aproximació de Rayleigh-Gans per simular estructures amb contrasts d'índexs baixos. Aquest model contempla aspectes rellevants dels cristalls reals com són ara les condicions de contorn, inclou una lleugera dispersió en el diàmetre de les esferes com també una absorció eficaç que descriu la difusió de Rayleigh i la dispersió inelàstica causada per la presència d'imperfeccions. Aquest model s'utilitza per estudiar la propagació dins de nanoestructures fotòniques reals, i per determinar-ne les propietats dispersives. Les prediccions del model es contrasten amb mesures experimentals dependents de la polarització de l'estructura de bandes parcial d'un cristall col·loïdal real. També determinem el temps de confinament del fotons, a l'extrem de la primera banda fotònica prohibida, per mitjà de la deformació d'un pols provocada per canvis en la velocitat de grup que acompanya l'atrapament dels fotons.

Per explicar la propagació de llum en el rang d'energies altes, utilitzem el model vectorial KKR que ens permet determinar la velocitat de grup d'òpals artificials prims. Trobem que, per determinades freqüències, la velocitat de grup pot ser superlumínica, positiva, negativa o tendir a zero depenent del guix del cristall i la seva absorció. Aquest comportament es pot atribuir al carácter finit de l'estructura i explica observacions experimentals presents a la literatura. La mateixa propagació amb velocitats de grup anòmales pot explicar l'observació experimental de l'augment de la generació de segon harmònic en un òpal prim no lineal. Confirmant així que la disminució de velocitat de grup proporciona un mecanisme que afavoreix els processos no lineals.

En darrer lloc, considerem una altra configuració en què la interacció no lineal quadràtica té lloc en una capa de menys d'una longitud d'ona de gruix. Demostrem que, en presència d'una superfície reflectora, la contribució de termes que no conserven el moment lineal de la llum, i que no tindrien cap contribució en un medi infinitament llarg, són els més determinants.; Photonic periodic nanostructures have offered, in the last two decades, a new framework for the study of the interaction between electromagnetic radiation and matter. Such structures can engineer the electromagnetic properties of materials and have become a powerful tool used to confine, route, suppress, localize, split, disperse, and filter light. The scope of the electromagnetic radiation control can be extended to light propagation and generation. Photonic crystals have successfully been used as host materials to suppress or enhance light generation mechanisms such as spontaneous emission or nonlinear processes.
The aim of this thesis is to investigate finite-size effects and to what extent the properties of ideal infinite or infinitely periodic structures hold for structures that are finite in size. Until recently, experimental as well as theoretical developments in the field of photonic crystals have been based, mostly, on calculations that consider ideal structures with perfectly periodic boundary conditions.

Deviations from the behavior predicted form such assumptions were already observed when the field was born. However, some of them remained, for the most part, unexplained. In the present work, we tackle some of these aspects related to light propagation and generation in the real finite photonic crystals that can be fabricated. With this purpose, we perform such study from, both, an experimental as well as a theoretical perspective. We study finite-size effects in the region of the first order Bragg reflection band as well as in the high energy range where the wavelength of light is on the order or smaller than the lattice parameter.

To be more specific, part of the work is devoted to the study of colloidal crystals at the range of low energy. We develop 3D full wave vector calculation in the Rayleigh-Gans approximation to simulate low index contrast structures. This model accounts for relevant real crystal's aspects such as boundary conditions, a slight dispersion in the spheres diameter and includes an effective absorption accounting for Rayleigh scattering and inelastic diffusion due to imperfections. This model is used to study light propagation within real photonic nanostructures, and to determine their dispersive properties. The predictions of the model are contrasted with experimental polarization dependent measurements of the partial band structure of an actual colloidal crystal. We also determine the experimental photon's lifetime, at the edge of the first order pseudogap, by means of the pulse reshaping induced by changes in the group velocity accompanied by the photon trapping.

To explain light propagation in the high energy range, we use a vector KKR calculation that we apply to understand the group velocity of light propagating in artificial opals slabs. We show that for certain frequencies, the group velocity can either be superluminal, positive or negative or approach zero depending on the crystal size and absorption. Such behavior can be attributed to the finite character of the structure and accounts for previously reported experimental observations. The same propagation at anomalous group velocity may explain the experimental observation of second harmonic generation enhancement of light from a nonlinear opal film. Indeed, the group velocity slowing-down provides an enhancement mechanism for nonlinear processes.

We finally consider another configuration such that the quadratic nonlinear interaction occurs within a sub-wavelength layer. In the presence of a nearby reflecting surface we demonstrate that the contribution of terms that do not conserve light momentum, and that would vanish in an infinitely long medium, is the most relevant one.

Accretion onto Neutron Stars: Hydrodynamics and Nucleosynthesis

Tue, 12 Apr 2011 15:19:05 GMT

Accretion onto Neutron Stars: Hydrodynamics and Nucleosynthesis Moreno Guzmán, Fermín In the middle of the 70s, some authors suggested that accretion of hydrogen and helium rich material by a neutron star in a binary system, where the companion star would have low mass, could explain thermonuclear bursts observed by the first satellites launched to the space in order to analyze the Xray band of the electromagnetic spectrum. This phenomenon, known as type I X-ray bursts (XRB), is a thermonuclear runaway produced by the themonuclear fusion of the accreted material in degenerated conditions. This kind of explosion from stellar source is the most frequent in our galaxy (and the third, after supernovae and classical novae, in terms of total output energy), because his short recurrence period. Due to the extreme gravitational field of a neutron star it is known that produced nucleosynthesis is not ejected to the interstellar medium but forming part of the neutron star crust.
In this work we have tried, first, to study the effects of nuclear uncertainties, related to nuclear reaction rates, in the nucleosynthesis produced during a X-ray burst, and second, to simulate physical properties and associated nucleosynthesis to this kind of events, through hydrodynamical models.
In order to analyze the impact of uncertainties of the nuclear reaction rates in the nucleosynthesis, and due to the prohibitive calculation time with an hydrodinamical code, we have used a post-processing code which we have coupled, for a given set of 10 temperatures and densities profiles, an extensive nuclear reactions network formed by 606 isotopes and 3551 nuclear reactions, whose reaction rates have been modified using to alternative methods. In the first one, every rate has been individually modified, multiplying it by 0.1 and 10, calculating the final nucleosynthesis. This way, it is possible to evaluate the impact in final nucleosynthesis individual variations in the nuclear reaction rates. Also we have analyzed the effects in final nucleosynthesis by modifying the energy associated to each reaction (Q-value). In the second method, nuclear reaction rates have been modified simultaneously, multiplying each one by a random factor which follow a log-normal distribution with a probability of 95.5% of being in the interval [0.1,10]. In order to analyzed this method from an statistically point of view, the nucelosynthesis has been calculated up to 10,000 times, with a Monte Carlo code specifically built to this Thesis, for different set of random numbers. Obtained results with both methods are coincidents and show that for a network formed by 3,500 reactions approximately, only about 60 reactions have an impact in final yields greater than a factor of 2.Finally, we have used an hydrodynamical code, one-dimensional (spherically symmetric), Lagrangian and multi-shell, to which we have coupled a nuclear reactions network formed by 324 isotopes and 1392 reactions with the aim of reproduce physical parameters and nucleosynthesis produced during X-ray bursts. To do that, we have applied this code to different models, analyzing the effect of spatial resolution in the accreted shell, the metallicity of the transferred material as well as the mass of the neutron star, in the final result. For each model, we have simulated different bursts, with energies, luminosities and recurrence times coincidents with observations and, together with the nucleosynthesis, similar to the results obtained by other authors.; A mediados de los años 70, varios autores sugirieron que la acreción de material rico en hidrógeno y helio por parte de una estrella de neutrones, integrante de un sistema binario donde la masa de la estrella compañera fuese pequeña, podría explicar las erupciones termonucleares observadas por los primeros satélites lanzados al espacio para analizar la banda X del espectro electromagnético. Dicho fenómeno, conocido como erupciones de rayos X de tipo I (en inglés, type I X-ray bursts, XRB), consiste en el alud termonuclear producido por la fusión termonuclear del material acretado, en condiciones degeneradas. Este tipo de explosión termonuclear de origen estelar es el más frecuente en nuestra galaxia (y el tercero, tras las supernovas y las novas clásicas, en términos de energía total liberada), debido a su corto periodo de recurrencia. Como consecuencia del extremo campo gravitatorio de una estrella de neutrones, se cree que la nucleosíntesis producida durante este tipo de eventos no es expulsada al medio interestelar, pasando a formar parte de la corteza de la estrella.
En este trabajo hemos intentado, por un lado, estudiar los efectos de las incertidumbres de origen nuclear, asociadas a los ritmos de las reacciones nucleares, en la nucleosíntesis producida durante un X-ray burst; y por otro lado, simular las propiedades físicas y la nucleosíntesis asociada a este tipo de eventos, mediante modelos hidrodinámicos.
Para estudiar el impacto de las incertidumbres de los ritmos de las reacciones nucleares en la nucleosíntesis, y debido a que el tiempo de cálculo con un código hidrodinámico resultaría prohibitivo, hemos utilizado un código de post-procesado al que se ha acoplado, para un conjunto determinado de 10 perfiles de temperatura y densidad, una extensa red de reacciones nucleares, formada por 606 isótopos y 3551 reacciones nucleares, cuyos ritmos de reacción han sido modificados utilizando dos métodos alternativos. En el primero, cada ritmo ha sido modificado individualmente, multiplicándolo por 0.1 y 10, calculándose la nucleosíntesis final. De esta manera, puede evaluarse el impacto que tienen en las abundancias finales las variaciones individuales de los ritmos de las reacciones nucleares.
Así mismo, también se ha analizado el efecto que produce en las abundancias finales el hecho de modificar la energía asociada a cada reacción (Q-value). En el segundo método, los ritmos nucleares se han modificado simultáneamente, multiplicando cada uno de ellos por un factor aleatorio según una distribución log-normal, y cuya probabilidad de encontrarse en el intervalo [0.1,10] es del 95,5%. Para poder hacer una estimación estadística de este último método, se ha calculado la nucleosíntesis hasta 10.000 veces, con un código Monte Carlo específicamente construido para esta Tesis, para diferentes conjuntos de números aleatorios. Los resultados obtenidos con ambos métodos son coincidentes y demuestran que, para una red formada por unas 3500 reacciones nucleares, sólo unas 60 reacciones tienen un impacto en las abundancias finales mayor que un factor 2.
Por último, hemos utilizado un código hidrodinámico, unidimensional (en simetría esférica), Lagrangiano y multicapa, al que se ha acoplado una red de reacciones nucleares formada por 324 isótopos y 1392 reacciones nucleares, con el objetivo de reproducir los parámetros físicos y la nucleosíntesis producida en los X-ray bursts. Para ello, hemos aplicado este código a diferentes modelos, analizando el efecto de la resolución espacial de la capa acretada, la metalicidad del material transferido, así como la masa de la estrella de neutrones, en el resultado final. Para cada modelo, hemos simulado diferentes erupciones, con energías, luminosidades, y periodos de recurrencia, coincidentes con las observaciones y, junto con la nucleosíntesis, similares a los resultados obtenidos por otros autores.

Unfolding piecewise-smooth dynamics in a single inductor multiple-output switching converter

Tue, 12 Apr 2011 15:19:05 GMT

Unfolding piecewise-smooth dynamics in a single inductor multiple-output switching converter Moreno Font, Vanessa Els convertidors commutats de potència són solucions apropiades per subministrar energia a dispositius electrònics per la seva elevada eficiència i reduït cost. El seu ús extensiu en les últimes dècades ha motivat els investigadors a millorar els seus dissenys i aprofundir en la comprensió del seu comportament el qual, com la majoria de dispositius electrònics de potència, presenta dinàmiques no lineals. Recentment, han aparegut equipaments electrònics que disposen de múltiples càrregues com són els PDA, telèfons mòbils, MP3... Freqüentment, aquestes aplicacions necessiten múltiples alimentacions amb doble polaritat. Els convertidors amb inductor únic i múltiples sortides, Single-Inductor Multiple-Input Multiple-Output (SIMIMO), han esdevingut solucions per subministrar energia a dispositius de baixa potència, com pantalles LCD, i per carregar bateries ja que l'ús d'un sol inductor redueix significativament la mida del convertidor.
La inherent naturalesa commutada d'aquests sistemes classifica la seva dinàmica dins el camp de sistemes d'estructura variable, Variable Structure Systems (VSS), els quals també es coneixen com a sistemes suaus a trams, Piecewise Smooth (PWS) systems. Atès que la teoria clàssica per a sistemes suaus no pot explicar completament el seu comportament, en els últims anys s'han dirigit molts esforços cap a la recerca de les propietats de la dinàmica no suau en diferent camps d'aplicació.
Aquesta tesi aprofundeix en la caracterització de convertidors SIMIMO, que ens permetrà provar la seva viabilitat. Es proposen dues estratègies de control basades en el conegut control PWM (Pulse Width Modulation). En la primera alternativa, el control ens permet regular un convertidor amb dues entrades i dues sortides (Two-Input Two-Output , SITITO), amb polaritats oposades. En aquest cas, les dues senyals moduladores necessàries són generades sincronitzadament i per aquest motiu, en aquesta tesi ens referirem a aquesta estratègia de control PWM com a SPC (Single Phase Control) en contraposició amb la segona alternativa, la qual serà anomenada IC (Interleaved Control), capaç de regular un número generalitzat de sortides. Aquest control està basat en l'ús de diverses senyals moduladores, tantes com a sortides, les quals s'han desfasat progressivament.
La dinàmica dels convertidors SIMIMO, al igual que els convertidors bàsics contínua - contínua, exhibeix una rica varietat de fenòmens, els quals engloben des de bifurcacions suaus, com són les bifurcacions de doblament de període (period doubling bifurcation), Saddle-Node o Hopf, fins a bifurcacions no suaus. Un cop verificada l'existència de dinàmica estable quan els paràmetres s'han seleccionatapropiadament, aquesta tesi aborda la recerca de models amb els quals analitzar la complexa dinàmica dels convertidors en un rang ampli de paràmetres. Es proposen i analitzen alguns models que s'utilitzen complementàriament: els anomenats averaged models, amb els quals es pot analitzar la dinàmica lenta, i els models discrets, capaços de detectar les inestabilitats degudes a la dinàmica ràpida. A més a més, alguns d'aquest models seran definits i analitzats. La seva utilitat s'ha provat no només en la predicció de la estabilitat, sinó també en la caracterització de bifurcacions no suaus presents en el circuit. Es demostra que senzills sistemes lineals a trams de dimensió ú proporcionen expressions analítiques per a les condicions d'estabilitat y existència de punts fixos. Per finalitzar, es desenvolupen mapes de dimensió més elevada per tal d'incrementar la precisió de les prediccions obtingudes mitjançat els averaged models i els models discrets.
L'anàlisi discreta del convertidor SITITO governat per cadascuna d'aquestes estratègies ha revelat que la dinàmica por ser modelada per un sistema lineal a trams en un rang específic de paràmetres. Fins on sabem, la bibliografia proporcionada sobre mapes PWL inclou tant mapes continus com discontinus, encara que limitats a dos trams. Per tant, aquesta tesi contribueix en el camp de la dinàmica no suau amb el desenvolupament de les propietats d'un mapa de tres trams.
Respecte al control IC, s'ha obtingut una anàlisi general de la seva estabilitat per a un convertidor SIMIMO amb un nombre genèric de càrregues. L'estudi de l'estabilitat del model discret de dimensió ú ha revelat l'existència d'un tipus de bifurcació no suau la qual ha estat classificada con una non-smooth pitchfork atesa l'aparició de nous punts fixos després de produir-se la bifurcació. Una anàlisi més detallada de models discrets de dimensions més elevades, associa aquesta bifurcació a una Neimark-Sacker.
Finalment, aquesta tesi també inclou alguns resultats experimentals obtinguts amb un prototip d'un convertidor SITITO, per tal de validar els escenaris trobats en l'anàlisi del comportament dinàmic del convertidor regulat per les dues estratègies de control.; Switching power converters are known to be appropriate solutions to supply energy to electronic devices owing to their high efficiency and low cost. Their extensive use in the last decades has motivated researches to improve their designs and to go deeply into the comprehension of their behavior which, like most power electronic devices, exhibit nonlinear dynamics. More recently, electronic equipments containing multiple loads have been arisen such as PDA, mobile phones, MP3... These applications frequently require multiple supplies with different polarities. Single-Inductor Multiple-Input Multiple-Output (SIMIMO) switching dc-dc converters are becoming as solutions to supply low power devices as LCD displays and to charge batteries due to the significant reduction of size because the use of a single inductor.
The inherent switching nature of these systems classifies their dynamics into the field of Variable Structure Systems (VSS), which are also known as Piecewise Smooth (PWS) systems. Due to the fact that their dynamics cannot be completely explained with the classical smooth theory, in the last years a lot of effort has been addressed towards the research on a theory of non-smooth dynamics motivated by different fields of application.
This dissertation deals with the dynamical characterization of SIMIMO converters, which can help us to prove their viability. Two strategies of control, both of them based on the widely used Pulse Width Modulation (PWM) control, are discussed. In the first alternative, the control is used to regulate a Two-Input Two-Output (SITITO) converter with opposite polarity. The two required modulate signals are generated synchronizely. This strategy of PWM control is called in this work Single Phase Control (SPC) in contrast to a second strategy, which is noted here as Interleaved Control (IC), capable of driving a generalized single inductor multiple-input multiple-output converters. This control is based on the use of various modulating signals, equal to the number of outputs, which are progressively time delayed.
The dynamics of the SIMIMO converters, just like of the basic dc-dc converters, presents a rich variety of nonlinear phenomena, which covers from smooth bifurcations, such as period doubling, Saddle-Node or Hopf bifurcations, to non-smooth bifurcations. After proving the existence of stable dynamics if appropriate parameters are selected, this dissertation will deal with the investigation of models to analyze the complex dynamics of the converter in a wide range of parameters. Several models are proposed and analyzed in this work. Averaged models, from which slow scale instability condition can be determined, and discrete-time models, able to prove fast scale instabilities, are used in a complementary way. Besides this, several approaches of these models will be established and validated. Their usefulness will be proved not only in the prediction of the stability, but also in the characterization of the non-smooth bifurcations presents in this converter. It will be shown that simple one-dimensional Piecewise-Linear (PWL) models provide analytical expressions for the stability and existence conditions of fixed points of the discrete-time models. Furthermore, higher dimensional maps are developed to improve the accuracy of the predictions obtained by means of one-dimensional maps and averaged models.
The discrete-time analysis of a SITITO converter driven by each of the two strategies of control has revealed that its dynamics can be modeled by a PWL with three trams in a specific range of parameters. To our best knowledge, the literature on PWL maps includes continuous and discontinuous maps but is limited to two trams. Therefore, this dissertation is a contribution in the field of non-smooth dynamics in base to the unfolding of specific dynamics of three-piece maps.
Concerning the IC control, a generalized analysis of the stability is obtained for a SIMIMO converter with a generic number of loads. The stability analysis of the one-dimensional model has revealed the existence of a type of non-smooth bifurcation, which has been classified in this dissertation as a non-smooth pitchfork owing to the appearance of two new fixed points after undergoing the bifurcation. Detailed analysis in higher dimensional maps associates this bifurcation to a Neimark-Sacker, whose existence cannot be predicted by averaged models.
This dissertation also includes some experimental results obtained with a SITITO dc-dc converter prototype, to validate some of the scenarios found in the analysis.

Rubidium resonant squeezed light from a diode-pumped optical-parametric oscillator

Tue, 12 Apr 2011 15:19:04 GMT

Rubidium resonant squeezed light from a diode-pumped optical-parametric oscillator Predojevic, Ana La luz comprimida (squeezed light) es uno de los componentes importantes de los experimentos de memorias cuánticas. Un almacenamiento eficiente
de la luz comprimida en una colectividad de átomos exige que la luz (comprimida) sea resonante a la línea espectral de absorción. El láser de diodo
puede acceder a una amplia clase de líneas espectrales dado al amplio rango de longitudes de onda accesibles. Por lo tanto, el uso de fuentes de luz comprimida basadas en láseres de diodo ampliaría el número de los posibles experimentos. Además, los láseres de diodo reúnen muchas buenas
características como son su construcción robusta y compacta, simplicidad y bajo precio. La única desventaja de los láseres diodo es el ruido de la fase que resulta en un ensanchamiento de sus líneas espectrales.
Esta tesis describe estudios experimentales y teóricos de generación de estados de luz omprimida en cuadratura y polarización, adecuados para la
interacción con átomos de rubidio. En ese ocumento damos una atención especial al ruido de fase y sus efectos en el grado de compresión de la luz
y los métodos para lograr luz comprimida en presencia de ruido de fase generado en el láser de diodo.
La tesis está estructurada de la siguiente manera:
El primer capítulo presenta las ideas generales de la conversión paramétrica de frecuencia (parametric downconversion) en un oscilador paramétrico
óptico. Aquí derivamos la descripción teórica de la luz comprimida en un oscilador paramétrico óptico operado por debajo del nivel umbral.
El segundo capítulo describe el aparato experimental. Primero, damos una descripción detallada del diseño de la cavidad paramétrica óptica y
resumimos las propiedades del cristal no lineal. A continuación, pasamos a describir el láser y los sistemas usados para la estabilización del sistema
láser y de la cavidad del oscilador. En el tercero se discute la ganancia de amplificación y la eficiencia de detección. Por último damos una descripción
general del experimento y presentamos los resultados en la compresión cuántica ("squeezing") de la luz.
El último capítulo analiza los efectos de ruido de fase en el "squeezing" de cuadratura y describe una técnica para eliminar su efecto. Primero,
discutimos el origen del ruido de fase para sistemas de láser de diodo. Segundo, derivamos el grado observable de "squeezing", teniendo en cuenta
los efectos de fluctuaciones cuasi-estacionarias de frecuencia. Por último, mostramos cómo los efectos del ruido de fase pueden ser eliminados y
comparamos la predicción teórica con nuestros resultados experimentales.
El resultado de este proyecto es una fuente de luz no-clásica resonante con la transición atómica del rubidio. Caracterizamos el "squeezing" del estado
de vacío cuántico resultante. El máximo grado de compresión logrado en el experimento fue 2.5dB por debajo del nivel de ruido cuántico. Además
realizamos un análisis del efecto que el ruido de fase tiene en el grado de compresión. Los resultados de este análisis mostraron que en presencia de
ruido de fase se espera que el "squeezing" dependa del retardo relativo entre el haz de luz comprimida y el oscilador local. Comprobamos
experimentalmente esta hipótesis y medimos el grado de compresión como una función del retardo entre la luz comprimida y el oscilador local. Los
resultados experimentales obtenidos fueron consistentes con la teoría.
Aparte de construir una fuente luz comprimida resonante con rubidio, hemos probado que el láser de diodo es una fuente adecuada para la producción
de luz comprimida. Hemos proporcionado una teoría que trata el efecto de ruido de fase en el grado de compresión de la luz en un oscilador
paramétrico óptico. El aparato experimental presentado aquí utiliza técnicas estándar que podrían ser aplicadas a una variedad de otras longitudes de ondas.; This thesis describes experimental and theoretical studies of generation of quadrature- and polarization-squeezed light suitable for interaction with rubidium atoms. Special attention is paid to phase noise, its effects on squeezing, and methods to achieve squeezing in the presence of diode laser phase noise.
Squeezed light is an important component of quantum memories experiments. Efficient storage of (squeezed) light in atomic ensembles requires the
light to be resonant to the respective atomic transition. Diode lasers can access many atomic transitions as they cover significantly broader wavelength
range than other classes of lasers. Consequently, employing diode-laser-based squeezed light sources would broaden the range of possible quantum
memories experiments. Furthermore, diode lasers posses many attractive features like robustness, simplicity, compactness, and low price. The
drawback of the diode laser is it's excess phase noise, which results in a relatively large linewidth. This forms an obstacle for detection of phasesensitive quantum states such as quadrature squeezing.
The thesis is structured as follows:
The first chapter presents the general ideas on parametric downconversion in an optical parametric oscillator. Here we derive the theoretical description
of squeezing of the light field in a subthreshold optical parametric oscillator.
The second chapter describes the experimental apparatus. First, we give a detailed description of the design of the optical parametric oscillator cavity
and summarise the properties of the nonlinear crystal. In continuation, we describe the laser system and the locking systems used for the laser system
and the optical parametric oscillator cavity stabilisations. Third, we discuss the amplification gain and the detection efficiency. Finally, we give a full
overview of the experiment and we present the squeezing results.
The last chapter analyses the effects of phase noise on quadrature squeezing and describes a technique to eliminate its effect. First, we discuss the
origin of the phase noise for diode laser systems. Second, we derive the observable squeezing taking into account the effects of quasi-static frequency
fluctuations. Third, we show how the effects of the phase noise can be eliminated and, last but not least, we compare the theoretical prediction with our
experimental results.
The outcome of this project is a rubidium resonant source of non-classical light. We characterised the output squeezed vacuum state. The maximum
squeezing achieved in the experiment was 2.5dB below shot-noise level. Moreover, we performed an analysis of the effect the phase noise has on the
squeezing. The results of this analysis showed that in presence of phase noise we expected that the squeezing level would depend on the relative
delay between squeezing and local oscillator path. We experimentally tested this statement performing a measurement of squeezing as a function of
the delay between the squeezed light and the local oscillator. The experimental results were consistent with the theory.
Apart form building a source of rubidium resonant squeezed light we have proven that the diode laser is a source suitable for production of squeezed
light. We provided a theory which treats the effect of phase noise on squeezing in optical parametric oscillator.
The experimental squeezing apparatus presented here uses standard techniques which could be applied to a variety of other wavelengths.

Testing the initial-final mass relationship of white dwarfs

Tue, 12 Apr 2011 15:19:04 GMT

Testing the initial-final mass relationship of white dwarfs Catalán Ruiz, Sílvia White dwarfs are the final remnants of low- and intermediate-mass stars. About 95% of main- sequence stars will end their evolutionary pathways as white dwarfs and, hence, the study of the white dwarf population provides details about the late stages of the life of the vast majority of stars.
Since white dwarfs are long-lived objects, they also constitute useful objects to study the structure and evolution of our Galaxy. For instance, the initial-final mass relationship, which connects the final mass of a white dwarf with the initial mass of its main-sequence progenitor, is of paramount importance for different aspects in modern astrophysics. This function is used for determining the ages of globular clusters and their distances, for studying the chemical evolution of galaxies, and also to understand the properties of the Galactic population of white dwarfs. Despite its relevance, this relationship is still relatively poorly constrained.
The main aim of this thesis is the study of the initial-final mass relationship. For such purpose we have used two different approaches. From an observational perspective, the statistical significance of the current initial final mass relationship can be improved by performing spectroscopic observations of white dwarfs for which some important parameters are available. Since this approach involves the use of theoretical stellar evolutionary tracks the resulting initial-final mass relationship is, in fact, semi-empirical. In this thesis we present a promising method which consists in using common proper motion pairs comprised of a white dwarf and a FGK star. It is sound to assume that the members of the system were born simultaneously and with the same chemical composition. Moreover, these stars are well separated and it can be considered that they have evolved as isolated stars, since mass exchange between them is unlikely. Thus, a careful analysis of the observational data of both members of each pair allows us to derive the initial and final masses of the white dwarf components, something which is totally impossible when white dwarfs are isolated. Considering the new data that we have obtained with this work and the observational data currently used to define the initial-final mass relationship we have carried out a revision of this relationship, giving some clues on its dependence on different parameters, especially on metallicity.
The second approach to improve the initial-final mass relationship involves an indirect measurement, which has been carried out by studying its influence on one of the powerful tools related to the white dwarf population, the white dwarf luminosity function. We have computed a series of luminosity functions using different theoretical initial-final mass relationships, and also, considering the semi-empirical relation derived in this thesis. We have compared these computations with the available observational data in order to evaluate the validity of each of these relations.
In order to increase the statistical significance of the white dwarf luminosity function and to improve the initial-final mass relationship it is necessary to extend the amount of accurate and reliable observational data. For this reason part of the thesis is devoted to the Alhambra Survey, which is a good example of the new deep surveys currently under development. These observational projects will detect thousands of new white dwarfs, some of them belonging to common proper motion pairs, which could be eventually used to extend our analysis. Thus, we have performed an exhaustive study to optimize the identification procedure of the white dwarf candidates which will be eventually detected by the Alhambra survey.

Individual-based modelling of bacterial cultures in the study of the lag phase

Tue, 12 Apr 2011 15:19:03 GMT

Individual-based modelling of bacterial cultures in the study of the lag phase Prats Soler, Clara La microbiologia predictiva és una de les parts més importants de la microbiologia dels aliments. En el creixement d'un cultiu bacterià es poden observar quatre fases: latència, exponencial, estacionària i mort. La fase de latència té un interès específic en microbiologia predictiva; al llarg de dècades ha estat abordada des de dues perspectives diferents: a nivell cel·lular i intracel·lular (escala microscòpica), i a nivell de població (escala macroscòpica). La primera estudia els processos que tenen lloc a l'interior dels bacteris durant la seva adaptació a les noves condicions del medi, com els canvis en l'expressió gènica i en el metabolisme. La segona descriu l'evolució de la població bacteriana per mitjà de models matemàtics continus i d'experiments que avaluen variables relacionades amb la densitat cel·lular.
L'objectiu d'aquest treball és millorar la comprensió de la fase de latència dels cultius bacterians i dels fenòmens intrínsecs a la mateixa. Aquest objectiu s'ha abordat amb la metodologia Individual-based Modelling (IbM) amb el simulador INDISIM (INDividual DIScrete SIMulation), que ha calgut optimitzar. La IbM introdueix una perspectiva mecanicista a través de la modelització de les cèl·lules com a unitats bàsiques. Les simulacions IbM permeten estudiar el creixement d'entre 1 i 106 bacteris, així com els fenòmens que emergeixen de la interacció entre ells. Aquests fenòmens pertanyen al que anomenem escala mesoscòpica. Aquesta perspectiva és imprescindible per entendre l'efecte en la població dels processos d'adaptació individuals. Per tant, la metodologia IbM és un pont entre els individus i la població o, el que és el mateix, entre els models a escala microscòpica i a escala macroscòpica.
En primer lloc hem estudiat dos dels diversos mecanismes que poden causar la fase de latència: inòculs amb massa mitjana petita, i canvis de medi.
S'ha verificat també la relació de la durada de la latència amb variables com la temperatura o la grandària de l'inòcul. En aquest treball s'ha identificat la distribució de biomassa del cultiu com una variable cabdal per analitzar l'evolució del cultiu durant el cicle de creixement. S'han definit les funcions matemàtiques que anomenem distàncies per avaluar quantitativament l'evolució d'aquesta distribució.
Hem abordat, també, la fase de latència des d'un punt de vista teòric. L'evolució de la velocitat de creixement al llarg del cicle ha permès distingir dues etapes en la fase de latència que anomenem inicial i de transició. L'etapa de transició s'ha descrit per mitjà d'un model matemàtic continu validat amb simulacions INDISIM. S'ha constatat que la fase de latència ha de ser vista com un procés dinàmic, i no com un simple període de temps descrit per un paràmetre. Les funcions distància també s'han utilitzat per avaluar les propietats del creixement balancejat.
Alguns dels resultats de les simulacions amb INDISIM s'han corroborat experimentalment per mitjà de citometria de flux. S'ha comprovat, al llarg de les diverses fases del creixement, el comportament de la distribució de biomassa previst per simulació, així com l'evolució de les funcions distància. La coincidència entre els resultats experimentals i els de simulació no és trivial, ja que el sistema estudiat és molt complex. Per tant, aquests resultats permeten comprovar la bondat de la metodologia INDISIM.
Finalment, hem avançat en l'optimització d'eines per parametritzar IbMs, un pas essencial per poder utilitzar les simulacions INDISIM de manera quantitativa. S'han adaptat i assajat els mètodes grid search, NMTA i NEWUOA. Aquest darrer mètode ha donat els millors resultats en termes de temps, mantenint una bona precisió en els valors òptims dels paràmetres.
Per concloure, podem afirmar que INDISIM ha estat validat com una bona eina per abordar l'estudi dels estats transitoris com la fase de latència.; Predictive food microbiology has become an important specific field in microbiology. Bacterial growth of a batch culture may show up to four phases: lag, exponential, stationary and death. The bacterial lag phase, which is of specific interest in the framework of predictive food microbiology, has generally been tackled with two generic approaches: at a cellular and intracellular level, which we call the microscopic scale, and at a population level, which we call the macroscopic scale. Studies at the microscopic level tackle the processes that take place inside the bacterium during its adaptation to the new conditions such as the changes in genetic expression and in metabolism.
Studies at the macroscopic scale deal with the description of a population growth cycle by means of mathematical continuous modelling and experimental measurements of the variables related to cell density evolution.
In this work we aimed to improve the understanding of the lag phase in bacterial cultures and the intrinsic phenomena behind it. This has been carried out from the perspective of Individual-based Modelling (IbM) with the simulator INDISIM (INDividual DIScrete SIMulation), which has been specifically improved for this purpose. IbM introduces a mechanistic approach by modelling the cell as an individual unit. IbM simulations deal with 1 to 106 cells, and allow specific study of the phenomena that emerge from the interaction among cells. These phenomena belong to the mesoscopic level.
Mesoscopic approaches are essential if we are to understand the effects of cellular adaptations at an individual level in the evolution of a population.
Thus, they are a bridge between individuals and population, or, to put it another way, between models at a microscopic scale and models at a macroscopic scale.
First, we studied separately two of the several mechanisms that may cause a lag phase: the lag caused by the initial low mean mass of the inoculum, and the lag caused by a change in the nutrient source. The relationship among lag duration and several variables such as temperature and inoculum size were also checked.
This analysis allowed identification of the biomass distribution as a very important variable to follow the evolution of the culture during the growth cycle. A mathematical tool was defined in order to assess its evolution during the different phases of growth: the distance functions.
A theoretical approach to the culture lag phase through the dynamics of the growth rate allowed us to split this phase into two stages: initial and transition. A continuous mathematical model was built in order to shape the transition stage, and it was checked with INDISIM simulations. It was seen that the lag phase must be defined as a dynamic process rather than as a simple period of time. The distance functions were also used to discuss the balanced growth conditions.
Some of the reported INDISIM simulation results were subjected to experimental corroboration by means of flow cytometry, which allow the assessment of size distributions of a culture through time. The dynamics of biomass distribution given by INDISIM simulations were checked, as well as the distance function evolution during the different phases of growth.
The coincidence between simulations and experiments is not trivial: the system under study is complex; therefore, the coincidence in the dynamics of the different modelled parameters is a validation of both the model and the simulation methodology.
Finally, we have made progress in IbM parameter estimation methods, which is essential to improve quantitative processing of INDISIM simulations.
Classic grid search, NMTA and NEWUOA methods were adapted and tested, the latter providing better results with regard to time spent, which maintains satisfactory precision in the parameter estimation results.
Above all, the validity of INDISIM as a useful tool to tackle transient processes such as the bacterial lag phase has been amply demonstrated.

Simulació per Dinàmica Molecular de Líquids Moleculars Sobrerefredats

Tue, 12 Apr 2011 15:18:58 GMT

Simulació per Dinàmica Molecular de Líquids Moleculars Sobrerefredats Palomar Polo, Ricardo L'objectiu fonamental d'aquesta tesi és l'estudi mitjançant dinàmica molecular del comportament de líquids sobrerefredats. S'ha escollit líquids amb pont d'hidrogen, concretament els alcohols de baix pes molecular etanol i metanol. En els dos sistemes s'ha trobat una temperatura crítica per a la qual apareix una divergència en els temps de relaxació i en diferents coeficients de transport. En totes les funcions de correlació analitzades, la relaxació presenta dues etapes. La dinàmica de translació del centre de massa molecular està d'acord amb les prediccions de la teoria mode coupling ideal. S'ha demostrat que la desviació respecte a un comportament gaussià és important en els dos sistemes a baixes temperatures i temps intermedis, i que aquesta desviació està relacionada amb la presència d' heterogeneïtats dinàmiques.
S'ha analitzat també el paper dels ponts d'hidrogen en els resultats obtinguts. Hom ha estudiat un model idèntic al metanol excepte pel que fa a la capacitat d'establir ponts d'hidrogen. Per aquest s'ha trobat que, per temperatures decreixents, el ritme d'augment en el temps de relaxació de translació és superior al de reorientació. La supressió de l'enllaç d'hidrogen produeix una temperatura crítica més petita per la difusió i pels temps de relaxació. El comportament no gaussià de la dinàmica per a temps intermedis és menys important quan se suprimeix l'enllaç d'hidrogen, però la seva dependència temporal per a temps grans és independent de l'existència de l'enllaç.
En el sistema format per molècules diatòmiques s'han investigat les heterogeneïtats dinàmiques. S'ha comprovat la correlació entre els desplaçaments consecutius d'una molècula per temps intermedis i a temperatures baixes, que tendeix a desaparèixer per a temps molt grans (relaxació ). La correlació és màxima quan la desviació del comportament gaussià de la dinàmica arriba també al seu màxim. La direccionalitat dels moviments de translació ha estat també estudiada, tot observant-se un comportament anisòtrop especialment a temps intermedis (relaxació ). Han estat també observades heterogeneïtats dinàmiques en la reorientació, de manera que són les molècules amb gran desplaçament les que presenten un gran moviment de reorientació. Aquest acoblament augmenta a mesura que la temperatura decreix.
La relació entre heterogeneïtat dinàmica i espacial s'ha estudiat en el sistema de molècules diatòmiques. Al final d'un interval temporal s'han seleccionat les molècules que presenten el desplaçament més gran i més petit. S'ha demostrat que les molècules d'aquests dominis dinàmics s'agreguen formant agrupacions més grans que les resultants en un sistema estadísticament aleatori. En refredar el sistema, el nombre mitjà de molècules constituents d'una agrupació ràpida, així com la seva escala de longitud, creixen notòriament. Ambdues quantitats resulten ser màximes quan l'interval de monitorització és proper a l'instant per al qual la dinàmica del sistema més se separa de la dinàmica gaussiana. Les agrupacions de molècules ràpides tenen una geometria allargada. Les agrupacions de molècules lentes tenen una grandària més petita que les ràpides i tenen una geometria més compacta.; The aim of this thesis is the study of supercooled liquids by means of molecular dynamics simulations. We have investigated the behavior of hydrogen bonded liquids, specifically the low weight alcohols methanol and ethanol. In both systems, relaxation times and transport coefficients diverge at a critical temperature. For all correlators under study, a two-step relaxation behavior has been encountered. Translation dynamics of molecular centers-of-mass agrees reasonably well with Mode Coupling predictions. At low temperatures and intermediate time scales, a remarkable deviation from Gaussian dynamics is found. This deviation is related to the existence of dynamical heterogeneities.
The role of hydrogen bonding in supercooled methanol has also been analyzed. The results obtained for methanol have been compared with those of an ideal methanol-like system whose diatomic molecules have the same dipole moment as the methanol ones but lack sites for hydrogen bonding. Upon cooling, it has been found that translational relaxation times increase more rapidly than reorientational ones, being this effect more important in the non-associated system. Suppression of hydrogen bonds also results in lower critical temperatures for diffusion and for several characteristic relaxation times. Deviations from Gaussian dynamics are more relevant in methanol, but the long time behavior does not depend on the existence of hydrogen bonds.
Dynamic heterogeneities have been analyzed in the supercooled system of diatomic molecules. Correlations between molecular displacements performed during consecutive time intervals are apparent at low temperatures and intermediate times, whereas they tend to disappear at long times (-relaxation). These correlations maximize when the deviation from Gaussian dynamics takes a maximum. The molecular displacement has an important anisotropic component at intermediate time scales (-relaxation). Dynamic heterogeneities in reorientation have been observed at the beginning of the -relaxation regime, and it has been obtained that molecules that perform faster translational motions experience faster reorientational motions too. This coupling increases as temperature decreases.
Finally, the connection between dynamic and spatial heterogeneities has been studied. It has been encountered that molecules belonging to the same dynamical domain are spatially correlated. They form clusters bigger than those resulting from random statistics. Clusters composed by mobile molecules are string-like shaped, and both their associated size and lenght scale grow notoriously upon cooling. Both quantities maximize when non-Gaussian dynamics maximizes too. Clusters made up by slow molecules have a smaller size and a more compact geometry than fast clusters.

Microstructural characterization and modelling in primary crystallization

Tue, 12 Apr 2011 15:18:58 GMT

Microstructural characterization and modelling in primary crystallization Bruna Escuer, Pere L'objectiu de la tesi és estudiar la cinètica de les cristal·litzacions primàries en vidres metàl·lics mitjançant simulacions de tipus phase field. Una cristal·lització primària és una transició de fase sòlid-sòlid on la fase que cristal·litza (fase transformada o fase secundaria) té una composició química diferent de la fase precursora (fase no transformada o fase primària).
Les dades experimentals obtingudes a partir de l'estudi calorimètric de cristal·litzacions primàries s'analitzen generalment en el marc del model KJMA (Kolmogorov, Johnson & Mehl, Avrami). Aquest model proporciona l'evolució temporal de la fracció transformada basant-se en tres hipòtesis:
- Els nuclis de la fase secundaria estan distribuïts aleatòriament en tot l'espai.
- El creixement d'aquests nuclis és isotròpic.
- El creixement s'atura únicament per xoc directe (hard impingement).

En la cristal·lizació de vidres metàl·lics s'ha observat experimentalment un alentiment de la cinètica respecte del comportament calculat emprant la citada cinètica KJMA. Aquest alentiment s'explica a la literatura en base a que en aquest tipus de transformacions, controlades per difusió, la interacció entre els cristalls no és directa sinó que es produeix a través dels perfils de concentració (soft impingement) i, a més, l'evolució d'aquests perfils de concentració causa canvis en la concentració de la matriu amorfa, estabilitzant la i per tant fent que la nucleació de nous cristalls esdevingui no aleatòria. Diversos autors han proposat modificacions del model KJMA per tal d'intentar superar aquestes limitacions, basats bé en consideracions geomètriques, bé en aproximacions de camp mitjà. A pesar de tot, cap d'aquests models és capaç d'explicar satisfactòriament la cinètica observada en cristal·litzacions primàries. L'objectiu d'aquest treball ha estat la simulació realista de la cinètica de les transformacions primàries per trobar una explicació consistent a les diferències observades entre les dades experimentals i els models teòrics disponibles.
Per tal de poder descriure de forma realista el procés de cristal·lització primària s'ha d'estudiar el procés de nucleació i creixement de la fase secundaria alhora que es resol l'equació de difusió en la fase primària. En aquest treball s'ha emprat un model de simulació phase field que permet estudiar aquest sistema introduint una nova variable lligada al camp de concentració que pren dos valors diferents segons es tracti de fase transformada o no transformada. Amb aquest tipus de models també es poden introduir diferents protocols de nucleació i per tant estudiar independentment els efectes de la nucleació en la cinètica. D'aquesta manera s'han realitzat simulacions en 2 i 3 dimensions de cristal·litzacions primàries amb diferents graus de fracció transformada final). Els resultats de les simulacions s'ha comparat amb el model KJMA i, contra el que es preveia, s'ha obtingut un bon acord entre les fraccions transformades del model KJMA i de les simulacions. Donat que el model KJMA no reprodueix satisfactòriament el comportament experimental d'aquest resultat es dedueix que ni el soft impingement ni la nucleació no aleatòria son les responsables de l'alentiment de la cinètica obtingut en cristal·litzacions primàries.
Per tal de trobar una explicació físicament convincent del comportament observat experimentalment s'ha aprofundit en l'estudi teòric de les cristali·litzaciones primàries, incloent-hi l'efecte dels canvis composicionals que tenen lloc en la matriu a mesura que la transformació es produeix. Aquest fet, tot i ser conegut a la bibliografia, ha estat sistemàticament ignorat en l'elaboració de models cinètics. En concret, s'ha fet palès que canvis en la composició química de la fase primària han d'afectar de forma radical a la viscositat, que varia fortament a prop de la transició vitrea, i han de produir canvis en les propietats de transport atòmic. Això s'ha modelat a través de l'assumpció d'un coeficient de difusió depenent de la concentració, en base a la relació modificada d'Stokes-Einstein entre la viscositat i el coeficient de difusió. Les simulacions phase-field amb un coeficient de difusió d'aquest tipus donen lloc a una cinètica més lenta i que mostra un acord excel·lent amb la cinètica experimentalment observada en cristal·litzacions primàries de vidres metàl·lics. Per tant, les simulacions phase field confirmen que la cinètica de les cristal·litzacions primàries està controlada fonamentalment pel canvi en les propietats de transport atòmic, mentre que els efectes de soft impingement i nucleació no aleatoria, tot i estar presents, son secundaris.; El objetivo de la tesi es estudiar la cinética de las cristalizaciones primarias en vidrios metálicos mediante simulaciones de tipo phase field. Una cristalización primaria es una transición de fase sólido-sólido donde la fase que cristaliza (fase transformada o fase secundaria) tiene una composición química diferente a la fase precursora (fase no transformada o fase primaria).
Los datos experimentales obtenidos a partir del estudio calorimétrico de cristalizaciones primarias se analizan generalmente en el marco del modelo KJMA (Kolmogorov, Johnson & Mehl, Avrami). Este modelo proporciona la evolución temporal de la fracción transformada basándose en tres hipótesis:
- Los núcleos de la fase secundaria están distribuidos aleatoriamente en todo el espacio
- El crecimiento de estos núcleos es isotrópico
- El crecimiento se detiene únicamente por choque directo (hard impingement).

En la cristalización de vidrios metálicos se ha observado experimentalmente un retardo de la cinética respecto del comportamiento calculado usando la cinética KJMA. Este retardo se explica en la literatura en base a que en este tipo de transformaciones, controladas por difusión, la interacción entre los cristales no es directa sino que se produce a través de los perfiles de concentración (soft impingement) y, además, la evolución de estos perfiles de concentración causa cambios en la concentración de la matriz amorfa, estabilizándola y por tanto haciendo que la nucleación de nuevos cristales sea no aleatoria. Varios autores han propuesto modificaciones del modelo KJMA para intentar superar estas limitaciones, basados bien en consideraciones geométricas, bien en aproximaciones de campo medio. A pesar de todo, ninguno de estos modelos es capaz de explicar satisfactoriamente la cinética observada en cristalizaciones primarias. El objetivo de este trabajo ha sido la simulación realista de la cinética de las transformaciones primarias para hallar una explicación consistente a las diferencias entre los datos experimentales y los modelos teóricos disponibles.
Para describir de manera realista el proceso de cristalización primaria se tiene que estudiar el proceso de nucleación y crecimiento de la fase secundaria a la vez que se resuelve la ecuación de difusión en la fase primaria. En este trabajo se ha usado un modelo de simulación phase-field que permite estudiar este sistema introduciendo una nueva variable ligada al campo de concentración que toma dos valores diferentes según se trate de fase transformada o no transformada. Con este tipo de modelos también se pueden introducir diferentes protocolos de nucleación y por tanto estudiar independientemente los efectos de la nucleación en la cinética. De esta manera se han realizado simulaciones en 2 y 3 dimensiones de cristalizaciones primarias con diferentes grados de fracción transformada final. Los resultados de la simulaciones se han comparado con el modelo KJMA y, en contra de lo que se preveía, se ha obtenido un buen acuerdo entre las fracciones transformadas del modelo KJMA y de las simulaciones. Dado que el modelo KJMA no reproduce satisfactoriamente el comportamiento experimental, de este resultado se deduce que ni el soft impingement ni la nucleación no aleatoria son las responsables del retardo en la cinética obtenido en cristalizaciones primarias.
Para encontrar una explicación físicamente convincente del comportamiento observado experimentalmente se ha profundizado en el estudio teórico de las cristalizaciones primarias, incluyendo el efecto de los cambios composicionales que tienen lugar en la matriz a medida que la transformación se produce. Este hecho, aún y ser conocido en la bibliografía, ha sido sistemáticamente ignorado en la elaboración de modelos cinéticos. En concreto, se ha hecho patente que cambios en la composición química de la fase primaria tienen que afectar de forma radical a la viscosidad, que varía fuertemente cerca de la transición vítrea, y tienen que producirse cambios en las propiedades de transporte atómico. Esto se ha modelado a través de la asunción de un coeficiente de difusión dependiente de la concentración, en base a la relación de Stokes-Einstein modificada entre la viscosidad y el coeficiente de difusión. Las simulaciones phsae-field con un coeficiente de difusión de este tipo dan lugar a una cinética más lenta y que muestra un acuerdo excelente con la cinética experimentalmente observada en cristalizaciones primarias de vidrios metálicos. Por tanto, las simulaciones phase-field confirman que la cinética de las cristalizaciones primarias está controlada fundamentalmente por los cambios en las propiedades de transporte atómico, mientras que los efectos de soft-impingement y nucleación no aleatoria, aún y estar presentes, son secundarios.; The aim of this thesis is to study the kinetics of primary crystallization in metallic glasses by means of phase-field simulations. A primary crystallization is a solid-solid phase transformation where the crystallized phase (transformed phase or secondary phase) has a chemical composition different than the precursor phase (untransformed phase or primary phase).
Experimental data from calorimetric studies of primary crystallization are usually studied in the framework of the KJMA model (Kolmogorov, Johnson & Mehl, Avrami). This model yields the temporal evolution of the transformed fraction on the basis of three main assumptions:
- A random distribution of particle nuclei of the secondary phase
- The growth of these nuclei is isotropic
- The growth is only halted by direct collisions (hard impingement).

In the crystallization of metallic glasses, a slowing down of the kinetics respect the behavior calculated with the KJMA kinetics has been observed. This delay is explained in the literature by the fact that in this kind of transformations, that are diffusion controlled, the interaction between the crystals is not direct but through the concentration profiles (soft impingement) and moreover, the evolution of these profiles causes changes in the concentration of the amorphous matrix, stabilizing it and thus, the nucleation of new nuclei become non random. Several authors had proposed modifications to the KJMA model to try to overcome these limitations, based either on geometrical considerations or in mean field approaches. However, none of these models is able to explain the observed kinetics in primary crystallizations. The aim of this work has been the realistic simulation of the kinetics of primary crystallization to find a explanation to the differences between the experimental data and the available theoretical models.
In order to describe in a realistic way the process of a primary crystallization, the nucleation and growth process of the secondary phase has to be studied at the same time that the diffusion equation is solved in the primary phase. In this work, it has been used a phase field model for the simulations that allows to study this system introducing a new variable, coupled to the concentration field, that takes two different values in each of the existing phases. With these kinds of models, different nucleation protocols can also be introduced and thus, independently study the effects of the nucleation in the kinetics. Therefore, 2 and 3 dimensional simulations of primary crystallization have been performed with several degrees of final transformed fraction. The simulation results have been compared with the KJMA model and, unexpectedly, a good agreement between the simulations and the KJMA model has been obtained. As the KJMA model does not reproduce satisfactorily the experimental behavior, from this result can be deduced that neither the soft impingement nor the non random nucleation are the responsible of the slowing down observed in the kinetics of primary crystallization.
In order to find a physical convincing explanation of the observed experimental behavior, the theoretical study of primary crystallization has been extended, including the effects of the compositional changes that take place in the matrix as the transformation proceed. This fact, notwithstanding being known in the literature, has been systematically ignored in the development of the kinetics models. In particular, it has become clear that changes in the chemical composition of the primary phase have to radically affect the viscosity, that strongly varies near the glass transition, and some changes in the atomic transport properties must occur. This has been modeled through the assumption of a compositional dependent diffusion coefficient, on the basis of a modified Stokes-Einstein relation between viscosity and diffusion coefficient. Phase field simulations with a diffusion coefficient of this type yield a slower kinetics and show an excellent agreement with the kinetics experimentally observed in primary crystallization of metallic glasses. Thus, phase field simulations confirm that the kinetics of primary crystallization is fundamentally controlled by the changes in the atomic transport properties, while the soft impingement and non random effects, although being present, are secondary.

Bifurcaciones, transición al caos y turbulencia en sistemas heterogéneos

Tue, 12 Apr 2011 15:18:57 GMT

Bifurcaciones, transición al caos y turbulencia en sistemas heterogéneos Rodríguez Cantalapiedra, Inma Este trabajo está dividido en dos partes claramente diferenciadas, ambas dentro de la Física no lineal.
La primera es un estudio de las inestabilidades de la corriente en semiconductores extrinsecos, incluyendo antooscilaciones y caos con perdida de coherencia espacial, mientras que la segunda es un estudio de los mecanismos productores de mezcla turbulenta, en particulas la mezcla producida en un fluido heterogéneo por una líniea de burbujas.
En el primer estudio, los atractores responsables de los fenómenos obervados tienen pocos grados de libertad efectivos, mientras que en segundo estudio se refiere a turbulencia desarrollada, con muchos grados de libertad.

Payload data handling, telemetry and data compression systems for Gaia.

Tue, 12 Apr 2011 15:18:55 GMT

Payload data handling, telemetry and data compression systems for Gaia. Portell i de Mora, Jordi Gaia, la nova missió astromètrica de la ESA amb un llançament previst pel 2011, observarà més de mil milions d'estels i altres objectes amb una exactitud sense precedents. Els seus ambiciosos objectius desbanquen completament les missions rivals d'altres agències. Al final de la seva vida útil es generarà el major i més complert mapa tridimensional de la nostra Galàxia.
Una missió com aquesta suposa grans esforços tecnològics i de disseny ja que caldrà detectar, seleccionar i mesurar centenars d'estels cada segon, per enviar-ne posteriorment les dades cap a la Terra -a més d'un milió i mig de quilòmetres. Hem centrat el treball d'aquesta tesi en aquesta vessant de la missió, proposant dissenys pels sistemes de gestió de dades, de telemetria científica, i de compressió de dades. El nostre objectiu final és fer possible la transmissió a l'estació terrestre d'aquesta immensa quantitat de dades generades pels instruments, tenint en compte la limitada capacitat del canal de comunicacions. Això requereix el disseny d'un sistema de compressió de dades sense pèrdues que ofereixi les millors relacions de compressió i garanteixi la integritat de les dades transmeses. Tot plegat suposa un gran repte pels mètodes de la teoria de la informació i pel disseny de sistemes de compressió de dades.
Aquests aspectes tecnològics encara estaven per estudiar o bé només es disposava d'esborranys preliminars -ja que la missió mateixa estava en una etapa preliminar en quan varem començar aquesta tesi. Per tant, el nostre treball ha estat rebut amb entusiasme per part de científics i enginyers del projecte.
En primer lloc hem revisat l'entorn operacional del nostre estudi, descrit a la primera part de la tesi. Això inclou els diversos sistemes de referència i les convencions que hem proposat per tal d'unificar les mesures, referències a dades i dissenys. Aquesta proposta s'ha utilitzat com a referència inicial en la missió i actualment altres científics l'estan ampliant i millorant. També hem recopilat les principals característiques de l'instrument astromètric (en el qual hem centrat el nostre estudi) i revisat les seves directrius operacionals, la qual cosa també s'ha tingut en compte en altres equips.
A la segona part de la tesi descrivim la nostra proposta pel sistema de gestió de dades de la càrrega útil de Gaia, la qual ha estat utilitzada per presentar els requeriments científics als equips industrials i representa en sí mateixa una opció d'implementació viable (tot i que simplificada). En la següent part estudiem la telemetria científica, recopilant els camps de dades a generar pels instruments i proposant un esquema optimitzat de codificació i transmissió, el qual redueix la ocupació del canal de comunicacions i està preparat per incloure un sistema optimitzat de compressió de dades. Aquest darrer serà descrit a la quarta i última part de la tesi, on veurem com la nostra proposta compleix gairebé totalment els requeriments de compressió, arribant a duplicar les relacions de compressió ofertes pels millors sistemes estàndard. El nostre disseny representa la millor solució actualment disponible per Gaia i el seu rendiment ha estat assumit com a disseny base per altres equips.
Cal dir que els resultats del nostre treball van més enllà de la publicació d'una memòria de tesi, complementant-la amb aplicacions de software que hem desenvolupat per ajudar-nos a dissenyar, optimitzar i verificar la operació dels sistemes aquí proposats. També cal indicar que la complexitat del nostre treball ha estat augmentada degut a la necessitat d'actualitzar-lo contínuament als canvis que la missió ha sofert en el seu disseny durant els cinc anys del doctorat. Per acabar, podem dir que estem satisfets amb els resultats del nostre treball, ja que la majoria han estat (o estan essent) tinguts en compte per molts equips involucrats en la missió i per la mateixa Agència Espacial Europea en el disseny final.

Nonlinear Modelling of surf zone morphodynamical instabilities

Tue, 12 Apr 2011 15:18:55 GMT

Nonlinear Modelling of surf zone morphodynamical instabilities Garnier, Roland Esta tesis se dedica en un estudio de estabilidad no lineal de la morfodinàmica de la zona de rompientes de playas de arena. El modelo numérico MORFO55 resuelve las ecuaciones de aguas someras no lineales para la hidrodinámica y actualiza la topografía a partir del transporte de sedimento. En primer lugar, se aplica en el caso de playas complejas longitudinalmente no uniformes con objeto de probar sus distintas formulaciones. En secundo lugar, se usa para estudiar la generación de estructuras rítmicas en playas longitudinalmente uniformes. Entre estos patrones se distinguen las barras transversales y oblicuas, las barras crescenticas y los sistemas de barras/surcos (ridges/runnels). La hipótesis de que emergen a partir de inestabilidades internas del acoplamiento entre la topografía y la hidrodinámica se investiga. Los estudios previos de modelización numérica se limitaban a las etapas iniciales de la generación de las barras. En particular, mostraban que las barras transversales y oblicuas pueden formarse en playas planas mientras que las barras crecenticas aparecen en playas con barra. La formación de los sistemas de barras/surcos se explica con modelos conceptuales de la observación mediante satélite según los cuales emergerán a partir de la deformación de la barra intermareal. Esta tesis estudia el régimen no lineal de la evolución de todos estos sistemas. Particularmente se obtiene un estado 'nal de equilibrio. Los resultados generales coinciden cualitativamente con las barras observadas en la naturaleza. Se da una interpretación física de la formación, de la evolución y de la saturación del crecimiento de las barras.; This thesis performs a nonlinear stability study of the surf zone morphodynamics of sandy beaches. To this end the MORFO55 model based on a wave and depth averaged nonlinear shallow water equations solver with wave driver, sediment transport and bed updating is presented. It is first applied to complex longitudinally non-uniform beaches in order to test different model formulations. Second, it is applied to study the generation of surf zone rhythmic features on alongshore uniform beaches. Shore-attached transverse or oblique bars, crescentic bars and ridge and runnel systems are well known examples of such features. The hypothesis that they emerge by self organisation of the coupling between topography, waves and currents is here tested. In absence of shore-parallel bars, the initial formation of transverse and oblique bars had been shown by previous modelling studies of linear stability analysis but is now extended to the finite amplitude regime. In most of barred beaches, crescentic bars and ridge and runnel systems appear. Conceptual models based on field observations suggest that ridges and runnels could emerge by the deformation of the alongshore intertidal bar intercepted by crescentic bars. Up to now, only the formation of crescentic bars had numerically succeeded with linear and non linear models. This study shows that a dynamical equilibrium state of each of these rhythmic bar systems may be described with a numerical model. General results are in qualitative agreement with the bar systems observed in nature. A physical explanation for their formation, their evolution and the saturation of their growth is given.

Avaluació amb imatges de satèl.lit de les propietats físiques del sòl requerides en models meteorològics

Tue, 12 Apr 2011 15:18:54 GMT

Avaluació amb imatges de satèl.lit de les propietats físiques del sòl requerides en models meteorològics Pineda Rüegg, Nicolau L'important increment de la capacitat de càlcul computacional que s'ha donat en els últims anys ha fet que els models numèrics meteorològics hagin pogut assolir resolucions de treball molt fines. Ara bé, aquest increment en la resolució, per si sol, no és suficient per millorar-ne les prestacions. Cal introduir algorismes més sofisticats per afinar en la simulació de la dinàmica atmosfèrica, i també cal millorar la caracterització física de la superfície. En aquest sentit, els valors climàtics globals que es fan servir actualment no siguin prou precisos i calguin valors característics de cada regió.

Malgrat que a través de la teledetecció no es pot fer una mesura real dels diferents paràmetres de la superfície terrestre, les imatges de satèl·lit són el millor recurs per estimar-los. La periodicitat en l'adquisició d'imatges d'una mateixa zona fa que es puguin fer estimacions estacionals o mensuals, podent així fer un seguiment de la variació d'aquests paràmetres al llarg del temps.

En aquest treball s'ha establert una metodologia operacional per a l'obtenció periòdica de paràmetres de superfície, a partir d'imatges del sensor satel·litari NOAA/AVHRR, per Catalunya i les regions que l'envolten. La revisió bibliogràfica de les diverses metodologies existents ha permès seleccionar les més idònies per aquesta zona.

A nivell dels resultats, s'ha obtingut una sèrie mensual de diferents paràmetres, que cobreix els mesos de març a octubre de l'any 2000. Aquests paràmetres de superfície són els següents:

· Albedo
· Emissivitat
· Índex de vegetació NDVI
· Temperatura de superfície diürna i nocturna.
· Inèrcia tèrmica

Els resultats obtinguts amb dades de satèl·lit són espacials, són imatges que ens donen valors quantitatius per a cada cel·la de la superfície estudiada. A l'hora de fer-ne un tractament estadístic, aquestes imatges es sintetitzen a través de mapes d'usos del sòl, obtenint resultats per a les categories dels mapes. Com tota simplificació, aquesta comporta una pèrdua d'informació; i en aquest punt cal ser força crític a l'hora de triar una classificació d'usos del sòl de la regió de treball. Aquest aspecte és un dels punts on s'ha volgut aprofundir en la discussió de resultats. S'ha treballat amb dos mapes d'usos del sòl, el del USGS (Servei Geològic dels EEUU) i el CORINE (Agència Europea del Medi Ambient). El primer és d'abast global, té 24 categories i és el que fa servir el model meteorològic MM5 per la caracterització de la superfície en les simulacions. El segon és més actual i cobreix gran part d'Europa. El major nombre de categories (44), i la metodologia emprada en l'elaboració, pensada per els usos del sòl que dominen el nostre continent, fan que aquest mapa sigui més adequat per tal de caracteritzar els usos del sòl de Catalunya i els seus voltants.

Els paràmetres geofísics de superfície obtinguts s'han fet servir per inicialitzar un model meteorològic de mesoescala, amb la finalitat de millorar els pronòstics. Les simulacions s'han fet amb el model de mesoescala MM5 (PSU/NCAR). Els canvis introduïts en els paràmetres de superfície, a través del canvi del mapa d'usos del sòl i de la introducció dels valors calculats amb AVHRR per l'any 2000, han estat prou importants com per afectar els resultats de les simulacions. Cal destacar les diferències en el balanç hídric, que provoquen simulacions diferents de les masses nuvoloses i el patrons de precipitació. Aquestes diferències en la nuvolositat també modifiquen el balanç radiatiu, que alhora afecta l'evolució diària de la temperatura a nivells baixos. A nivell meteorològic, les variacions en el desenvolupament de núvols en situacions de domini mesoescalar és important per a la correcta simulació de desenvolupament de tempestes locals durant èpoques estivals. Finalment, també s'han observat variacions significatives en el camp de vent de superfície, aspecte important quan s'utilitza el model MM5 per a la simulació de la dispersió de contaminants atmosfèrics.

Els resultats obtinguts per l'any 2000 no es poden considerar climàticament significatius. En aquest sentit, una de les vies de continuïtat d' aquest treball és l'obtenció de resultats per una sèrie més llarga de dades, que permeti conèixer millor les característiques geofísiques de la superfície estudiada i millorar les simulacions meteorològiques.; Mesoscale models, with grid resolution higher than synoptic models, and with advanced physical parameterizations, have been an important tool for meteorological research over the past twenty years.

Important improvements on mesoscale models have occurred in the last decade. The availability of high-performance workstations at affordable prices; the sharing of mesoscale models within the community; and finally the real-time accessibility of forecast data from the operational runs; have allowed using mesoscale models for real-time numerical weather prediction (NWP) at high resolutions (~1 km).

As mesoscale models continue to increase in spatial resolution, correctly treating the land surface processes is becoming increasingly important for the model to be able to capture local mesoscale circulations induced by land surface forcing. Mesoscale models are incorporating progressively advanced land surface modules in order to properly initialize the state of the ground.

Physical model improvements should be complemented with more accurate surface properties initiation data. The present work is focused in this point. An operational methodology has been developed, in order to calculate, from satellite imagery, the surface properties for Catalonia, in the NE of Spain. Satellite observations constitute the only available means for global or regional repetitive monitoring of the surface properties at homogeneous resolution.

Prior to calculations, a bibliographical research has been done, in order to choose the most adequate methodology according to the remote sensing data available and the studied region. Monthly mean surface parameters have been calculated for the working region from an AVHRR data set of year 2000. Besides the resulting images, surface parameters have also been calculated for the land-use categories in the region.

Calculated parameters are:
· Albedo
· Emissivity
· Normalized Difference vegetation Index (NDVI)
· Surface temperature
· Thermal inertia

In order to test the obtained parameters, two simulations have been done with the MM5 mesoscale model. The Fifth-Generation NCAR / Penn State Mesoscale Model (MM5) is a limited-area, non-hydrostatic, terrain-following sigma-coordinate model designed to simulate or predict mesoscale and regional-scale atmospheric circulation.

A first simulation, using MM5 default values, has been compared with a second simulation where the local physical parameters have been introduced. Besides the change of the surface parameters, the default MM5 land-use map has also been changed, using a more recent land-use map of the region.

Results have shown that differences in surface parameters basically rely on thermal inertia. Besides, the land-use maps comparison had shown important differences between classifications that also affect the final composition of surface parameters that get into the model.

Modifications on the second simulation have been sufficiently significant to produce variations in the performance of the model. The cloud development differs basically in the location and dimensions of the clouds, that drives to a different superficial radiative budget affecting the evolution of air temperature at low levels. The different results in cumulus simulation produced important differences in the surface wind field and the updrafts. The changes introduced are sufficiently significant to obtain also slight variations in the pattern of accumulated precipitation for the simulated period. Comparisons with ground measurements of wind and temperature have been done in the test regions. Similar errors are obtained with the two land-use maps and physical parameters, without a clear improvement in the performance of the meteorological model.

The simulations done in this work contributes evidence to the high influence of surface scheme applications of mesoscale models at high spatial resolution. In the context of dialogue between remote sensing scientists and numerical climate modelers, it is expected that more research should be done to investigate the sensibility of the mesoscale models to improvements in the surface properties characterization.

On the growth of nearshore sand bars as instability processes of equilibrium beach states

Tue, 12 Apr 2011 15:18:53 GMT

On the growth of nearshore sand bars as instability processes of equilibrium beach states Ribas Prats, Francesca La zona de rompents de les platges està governada er una gran quantitat de processos complexes altament no lineals i a diverses escales de longitud i de temps. Tot i això, algunes vegades s'hi poden trobar estructures morfològiques regulars, com ara punts cuspidals, barres de sorra uniformes en la direcció longitudinal, barres crescèntiques i sistemes rítmics de barres obliqües. La seva regularitat indica que la dinàmica complexa de la zona de rompents a gran escala pot ser explicable en termes de mecanismes físics simples en certes circumstancies. L'origen les propietats dinàmiques d'aquestes curioses estructures morfològiques encara són un problema obert, tot i que la comunitat científica hi està interessada des de fa dècades. En particular, escriure el comportament de les barres de sorra a la zona de rompents és interessant tant des d'un punt de vista científic, com per a contrastar les fórmules de transport de sediment que s'utilitzen actualment en enginyeria de costes.
L'objectiu principal d'aquesta tesi és l'estudi teòric d'alguns mecanismes físics que podrien ser responsables de la forma dels perfils d'equilibri de les platges i de l'origen i la dinàmica de les barres de sorra a la zona de rompents (en concret, les barres longitudinals i els sistemes rítmics de barres obliqües). Es pretén així omplir alguns dels buits de coneixement actuals sobre aquestes formes topogràfiques. La principal hipòtesi de treball és que els dos tipus de barres es poden formar per -processos d'auto-organització'. El procediment consisteix en realitzar una anàlisi d'estabilitat per a cada tipus de barra, seguint els passos següents. Primerament es busca un estat d'equilibri rellevant del sistema sense les formes morfològiques. Aleshores s'afegeix una pertorbació a la topografia i s'estudien els efectes que produeix en la hidrodinàmica i en el transport de sediment. Si el transport resultant reforça la pertorbacióo inicial, s'obté una reacció de retro-alimentació positiva' i les barres creixen. Això és el que s'anomena un -procés 'auto-organització' del sistema o un -mecanisme d'inestabilitat' i podria ser una explicació de l'aparició d'aquestes estructures morfològiques complexes, sense estar associades a cap patró regular previ en la hidrodinàmica.
El primer model teòric que es presenta en aquesta tesi s'ha construït per a descriure la forma dels perfils d'equilibri i la formació i migració de barres longitudinals, assumint uniformitat en la direcció longitudinal. El model està basat en una equació d'evolució de l'onatge acoblada a una innovadora formula pel transport de sediment transversal. La primera equació descriu la transformació i posterior ruptura d'onades d'alçada aleatòria i incidència perpendicular. La formula pel transport conte tres termes sumats: el transport cap a la costa a causa de les propietats no lineals de les onades, el transport cap al mar produït pels corrents de retorn i el transport gravitacional pendent avall. Aquests tres processos són la base d'un mecanisme físic d'interacció entre la barra i el punt de ruptura', que podria ser l'explicació pel creixement de barres longitudinals de sorra. Al capítol 3 de la tesi es descriuen els resultats d'aquest model quan s'imposen condicions d'equilibri. Els perfils que s'obtenen són similars als de les platges naturals i consisteixen en una terrassa plana i amb poc pendent dins la zona de rompents i una part còncava més inclinada més enllà del punt de ruptura. Quan el sediment és gruixut i les onades incidents són de freqüència baixa (situació típica de platges reflectives), els perfils tenen força pendent i una zona de rompents estreta. Quan la sorra és més fina i les onades són d'alta freqüència (platges més dissipatives), la zona de rompents és molt més ampla i plana i el pendent és menor.
Al capítol 4 es presenta una anàlisi complerta de l'estabilitat d'aquests perfils d'equilibri respecte pertorbacions uniformes longitudinalment. Els dos objectius principals són trobar el rang de paràmetres en el qual els estats d'equilibri són estables i posar a prova la hipòtesi de si les barres longitudinals poden aparèixer com a inestabilitats del sistema. Els resultats demostren que tots els perfils d'equilibri obtinguts són estables, tant en el règim lineal com en el no lineal. Per tant, les platges amb terrassa semblen ser forts atractors dinàmics del sistema i caldria estudiar amb més atenció la seva freqüent presencia a les platges naturals.
Els resultats del model lineal indiquen que una -inestabilitat de tipus delta de Dirac' podria sorgir a prop del punt de ruptura, però el seu creixement queda sempre inhibit pel transport gravitacional produït pels forts pendents associats. Les evolucions temporals no lineals realitzades posteriorment també tendeixen a estats finals que corresponen als perfils d'equilibri sense barres. Fins i tot començant des d'estats inicials força allunyats de l'equilibri i permetent una possible migració de la línia de costa, aquesta versió idealitzada del mecanisme d'-interacció entre la barra i el punt de ruptura' només ha permès descriure platges amb terrassa. Per tant, verificar quantitativament que el creixement de barres longitudinals pot ser degut a aquest mecanisme encara és un important problema obert de la física del litoral.
Finalment, el segon model presentat al capítol 5 intenta reproduir la formació de sistemes rítmics de barres obliqües, partint dels mateixos perfils d'equilibri sense barres perµo ara permetent l'aparició d'inestabilitats no uniformes en la direcció longitudinal. El possible acoblament entre les estructures hidrodinàmiques en el pla horitzontal i la topografia emergent s'examina pel cas d'incidència obliqua de l'onatge. S'utilitza una fórmula clàssica de transport de sediment proporcional a diferents potencies del corrent mitja i amb una certa influència de les onades. En aquest cas, es demostra que pot existir retro-alimentació positiva' i que els diferents mecanismes físics descrits poden explicar el creixement inicial de diversos tipus de sistemes rítmics com els que s'observen en les platges naturals. Els resultats depenen principalment del tipus de transport de sediment dominant i de l'angle d'incidència de les onades. En el cas d'angles d'incidència relativament grans i transport dominat pels corrents mitjans, s'obtenen -barres orientades a favor del corrent'. Això significa que el costat de mar de les barres està desplaçat corrent avall respecte el costat de terra. La orientació és molt obliqua, o sigui que les barres són gairebé paral·leles a la línia de costa. La seva longitud d'ona és de diverses vegades l'amplada de la zona de rompents.
En cas contrari, quan els corrents mitjans són febles comparats amb la velocitat orbital de les onades, poden créixer -barres orientades a contra-corrent' o bé -barres crescèntiques orientades a favor del corrent', depenent de l'angle d'incidència i de la influencia de les ones infragravitatòries en el transport. En tots dos casos, l'espaiat és de l'ordre de l'amplada de la zona de rompents. El temps típic de creixement oscil·la entre diverses hores i un parell de dies i les barres migren a favor del corrent amb velocitats fins a desenes de metres per dia.
Les condicions que afavoreixen la formació d'aquests sistemes rítmics de barres són onatge regular i estats morfodinàmics intermitjos (situacions ni molt dissipatives ni molt reflexives).; of the thesis
In spite of the complex behaviour in space and time of the surf zone dynamics, relatively regular morphological patterns dominate quite often the beach topography at length and time scales well above those of incident waves. Well known examples are giant beach cusps, shore-parallel bars, crescentic longshore bars and shore-attached transverse/oblique bar systems. Their regularity indicates that the large scale complex dynamics of the surf zone as a whole can be understood in terms of simple physical mechanisms, at least in some circumstances. Remarkably, after decades of research, no model has been widely accepted to explain the origin and migration of these intriguing large-scale morphological patterns.
Understanding the behaviour of nearshore sand bars is not only challenging from a scientific point of view but also very interesting for testing ediment transport formulations with engineering purposes.

The main goal of this thesis is to investigate theoretically some physical processes that can be responsible for the shape of equilibrium profiles and the origin and dynamics of nearshore sand bars (in particular, shore-parallel bars and alongshore rhythmic systems of oblique bars are studied). This may fill some of the existing gaps of our current knowledge about these topographic features. The main working hypothesis is that these bars stem from -free instabilities' of the morphodynamical system. A stability analysis is performed for each type of bar system, starting from a steady equilibrium configuration of the beach without the pattern. A small topographic perturbation is then assumed and its effects on the hydrodynamics and on the sediment transport are investigated. If the transport pattern reinforces the topographic perturbation, a -positive feedback' occurs between the topography and the flow. This results in what is called a -free instability' of the system or a -self-organization process'. It can provide an explanation for the emergence of morphological patterns not associated to any previous regular template in the hydrodynamics.
The first model is focused on describing the shape of equilibrium beach profiles and the growth and migration of shore-parallel bars, assuming longshore uniformity. A wave transformation equation, describing the shoaling and breaking processes of normally incident random waves, is coupled with an innovatory cross-shore sediment transport formula containing three terms: an onshore contribution due to non-linear wave properties, an offshore contribution due to undertow currents and a term accounting for the downslope gravitational effect. These three latter processes are the basis of the so-called -breakpoint-bar interaction', which has been claimed to be an explanation for the formation of shore-parallel bars. In chapter 3 of the present thesis, this model is used to predict equilibrium beach profiles, which resemble natural non-barred beaches. In case of very dissipative conditions (storm weather and fine sediment), profiles consist of a gently sloping terraced surf zone and a concave-up shoaling zone. For less dissipative conditions, the entire profile gradually becomes more planar with similar surf zone and shoaling zone slopes.
Chapter 4 presents a complete stability analysis of such equilibrium profies with respect to arbitrary cross-shore perturbations. The aim is not only finding the range of parameter values leading to stable equilibrium profiles, but also testing whether shore-parallel bars can stem as free instabilities of the system. Results demonstrate that the equilibrium profiles are always stable, both in the linear and in the non-linear regimes. Therefore, the terraced non-barred profiles seem to be a strong attractor of this dynamical system and more attention should be paid to their frequent occurrence on natural beaches. The results of the linear stability analysis indicate that a -Dirac delta instability' tries to emerge at the effective break-point of the equilibrium profiles. However, its growth is always inhibited by the downslope transport that is induced by the inherent infinite slopes. The non-linear temporal evolutions subsequently performed also tend to final states that correspond to the equilibrium non-barred profiles. Even starting from initial states moderately far from equilibrium and allowing for a potential shoreline migration, this idealised version of the breakpoint-bar interaction is only able to reproduce the formation of terraces. Therefore, verifying quantitatively that this interaction can be responsible for the growth of natural shore-parallel bars still remains as an important open question in the nearshore sciences.
Finally, the second model presented in chapter 5 aims at reproducing the formation of alongshore rhythmic systems of oblique sand bars, starting from the same equilibrium non-barred profiles but now allowing for alongshore non-uniformities. The potential coupling between the time- and depth-averaged hydrodynamics and the evolving rhythmic topography is examined in case of oblique wave incidence. The used classical sediment transport law is proportional to a power of the depth-averaged current and contains some influence of the waves. In this case, it is shown that -positive feedback' can occur and the different studied underlying physical mechanisms lead to the initial growth of several types of oblique bars.
Results mainly depend on the sediment transport conditions and the wave incidence angle.
In qualitative agreement with available field observations, for moderately large incidence angles and transport dominated by the mean currents, the emerging bars are -oriented down-current'. This means that their offshore end is shifted down-stream of the equilibrium longshore current with respect to their shore attachment. Their orientation is very oblique, that is to say that the bars are nearly shore-parallel. The wave lengths are of the order of several times the surf zone width. In the opposite situation, when mean currents are weak compared with wave orbital motions, either -up-current oriented bars' or -crescentic/down-current oriented bars' can occur. This depends on the wave incidence angle and on the influence of infragravity waves into the transport. In both cases, the wave lengths are similar to the surf zone width. The e-folding growth times of all these patterns range from a few hours to a few days and they migrate down-flow with velocities that can be up to some few meters per day. The conditions favouring the generation of these rhythmic bar systems are steady waves and intermediate beach states, in between the fully dissipative and the fully reflective situations.

Phase-field study of transient stages and fluctuations in solidification

Tue, 12 Apr 2011 15:18:53 GMT

Phase-field study of transient stages and fluctuations in solidification Benítez Iglesias, Raúl L'estudi de la formació de microstructures en processos de solidificació té importants aplicacions científiques i tecnològiques. L'aparició d'aquestes estructures determina les propietats elèctriques i mecàniques del material solidificat, i té per tant un important interès tecnològic. La majoria d'aquestes estructures tenen el seu origen en una desestabilització morfològica de la interfase sòlid-líquid que es produeix a mesura que el front avança. Per aquest motiu, l'estudi del comportament dinàmic de la interfase resulta essencial per entendre els mecanismes que intervenen en la creació d'aquests patrons.
Els processos de solidificació solen descriure's mitjançant problemes de contorn mòbil. Aquestes formulacions consten d'equacions per a la difusió del calor i de massa en les fases sòlida i líquida, que s'han de resoldre imposant l'acompliment de diverses condicions de contorn mòbils a la interfase. Els problemes de contorn mòbil, malgrat contenir tots els elements que intervenen en la dinàmica i ser de molta utilitat en l'àmbit de l'enginyeria, requereixen un cost computacional que no permet simular sistemes reals en règims interfacials complexos.

Els mètodes de camp de fase (phase-field methods), van aparèixer a principis dels anys vuitanta com una eina computacional que permetia l'estudi de fenòmens interfacials de caire general. Aquests mètodes descriuen la forma de la interfase mitjançant un camp continu que pren valors diferents i constants en les dues fases. La dinàmica d'aquest camp és llavors acoblada al camp de difusió de calor o massa que determina l'avanç del front de solidificació. Un dels avantatges d'aquests mètodes és que la seva simulació no requereix d'algorismes de seguiment de la interfase (front tracking algorithsms).

És ben conegut que les característiques principals de les microestructures en solidificació, es determinen durant els transitoris inicials en els que els corrents de massa i calor s'adapten a la evolució dinàmica del front. Un dels objectius en aquesta tesi és el de fer servir mètodes de camp de fase per descriure de forma quantitativa aquests transitoris. Per comprovar la validesa del nostre procediment, es realitza una comparació quantitativa entre els resultats numèrics obtinguts i diferents prediccions analítiques derivades del problema de contorn mòbil.

Per un altra banda, la desestabilització del front es veu afectada per la presència de fluctuacions al sistema. Aquestes pertorbacions microscòpiques poden tenir el seu origen a les fluctuacions termodinàmiques internes, o bé ser conseqüència de imperfeccions experimentals que actuen com a font externa de soroll. El segon objectiu d'aquesta tesi és la introducció de fluctuacions en mètodes de camp de fase, de forma que es pugui estudiar l'amplificació dinàmica de les pertorbacions microscòpiques que acaben donant lloc a estructures macroscòpiques.

Per finalitzar, analitzem el problema de la selecció en solidificació direccional. Estudiem els règims lineal i no-lineal, tot determinant les condicions, el moment i la forma en que apareixen les estructures dendrítiques i cel·lulars.; Crystal growth is a non-equilibrium process which involves physical mechanisms at very different scales. When a solidification front advances, mass and heat diffusion processes are combined with interfacial phenomena like capillarity or kinetic attachment. A complex interplay between these mechanisms gives rise to complex interfacial structures like snowflakes or cellular patterns.
The formation of microstructures in solidification has both a scientific and a technological interest. On one hand, the study of the different interfacial structures constitutes a fundamental problem in the field of non-equilibrium pattern-forming systems. On the other side, from a technological point of view, the presence of microstructures determines the final mechanical and electrical properties of the processed material.
Directional solidification is a controlled solidification technique which reproduces the conditions occurring in some important metallurgical processes like material casting or zone melting refining procedures. In a directional solidification experiment, the alloy sample is pulled at a constant velocity towards the cold region of an externally-imposed temperature gradient. Depending on the growth conditions, a morphological destabilization of the solid-liquid interface occurs during early transient stages. These initial transients are associated to a solute redistribution process due to the adaptation of the concentration field to the forced motion of the sample. The main objective of this thesis is to study the dynamical evolution of the morphological deformations of the front from these initial transients to the final stages where the properties of the interfacial pattern are determined.
An important point in this process is that the internal fluctuations of the system play the role of an initiation mechanism for the morphological deformations of the front. During the initial transients, some of these microscopic perturbations are amplified by several orders of magnitude, and a range of wavelengths becomes morphologically unstable. The interfacial deformations of the front can be then characterized by means of power spectrum techniques.

In order to study the dynamical evolution of the solidification front in directional solidification, we have used both theoretical and computational approaches:

The main computational technique used in this thesis is the phase-field approach, which is a powerful method to simulate complex interfacial phenomena. The model equations describe the evolution of a continuous field , which takes different constant values at the solid and liquid bulks of the system. This field is then coupled with equations for the mass diffusion, and allows performing numerical studies without simulating the standard Stefan-like moving boundary problem. The phase-field method provides a diffuse interface description in which the transition from solid to liquid happens in a region of a certain thickness. The interface thickness introduces a new length in the simulations which must be taken into account to recover quantitative results.

One major point in this thesis concerns with the introduction of fluctuations in phase-field methods. In the particular case of variational phase-field formulations -in which the model equations can be derived from a single free energy functional for the whole system-, the introduction of fluctuations can be done by applying the Fluctuation-Dissipation theorem. Variational formulations, however, although their appealing structure, present a poor computational efficiency and cannot be used to obtain quantitative results. To this extent, we have derived a general approach which does not relay in the Fluctuation-Dissipation assumption and permits to introduce fluctuations in both variational and non-variational phase-field formulations.

Well-established analytical techniques like boundary integral methods for the transient front position and linear stability analysis of the interface during the transient have been used as theoretical predictions for the computational results.

The dynamical evolution of the solidification front can be divided in two stages: A linear regime where the initial noise is amplified, and a non-linear coarsening process where the final properties of the interfacial pattern are selected. We have studied these different stages of the solidification process by using the phase-field approach, and good agreement is obtained when comparing with well-established theoretical and experimental predictions.

Cinètica poblacional de processos de cristal·lització i recristal·lització

Tue, 12 Apr 2011 15:18:52 GMT

Cinètica poblacional de processos de cristal·lització i recristal·lització Pineda i Soler, Eloi Els materials nanocristal·lins han esdevingut darrerament un dels camps de recerca més actius en l'àrea de la Ciència de Materials. Aquest tipus de materials, caracteritzats per la presència d'estructures organitzades de tamanys característics entre el nm i el mm, han mostrat en determinats casos noves propietats, a vegades sorprenents, diferents dels materials tradicionals de composicions similars. Una característica comuna d'aquests materials és que les propietats que poden resultar d'interès són dependents, de vegades críticament, de la grandària de les nanostructures. El present treball es centra en aquesta temàtica, dins d'un subgrup de materials nanoestructurats molt concret com són els obtinguts mitjançant transformacions sòlid-sòlid activades tèrmicament. Un exemple d'aquests materials són els vidres metàl·lics nanocristal·litzats mitjançant un tractament tèrmic.

Aquestes transformacions segueixen majoritàriament cinètiques de nucleació i creixement, el comportament cinètic de les quals és raonablement ben conegut des de la dècada de 1940 (models de Kolmogorov, Johnson & Mehl i Avrami, KJMA). L'objectiu fonamental del treball és generalitzar el model d'evolució microestructural PKJMA, desenvolupat anteriorment pel grup de recerca al que pertany l'autor, i oferir un esquema robust d'àmplia aplicabilitat. Aquest objectiu s'ha assolit, donant lloc a un sistema d'equacions contínues d'evolució per la distribució de grandària de gra, aplicable als materials nanocristal·lins obtinguts en condicions de laboratori. La validesa d'aquestes equacions s'ha comprovat amb la comparació amb simulacions cinètiques de creixement en condicions controlades.

Una segona part del treball es centre en l'estudi dels efectes d'una nucleació no aleatòria en aquestes transformacions. El fet que aquest fenòmen sol considerar-se present a la cristal·lització primària de vidres metàl·lics va augmentar l'interès sobre el tema, i conduí, primer, a simular cinèticament aquest fenòmen i, després, a buscar un model adequat per descriure les desviacions observades respecte la cinètica KJMA. La construcció d'aquest model és el pas previ per l'extensió del model d'evolució microestructural a aquests sistemes.

Inestabilidades térmicas e hidrodinámicas ligadas a rupturas de simetría en cavidades anulares

Tue, 12 Apr 2011 15:18:52 GMT

Inestabilidades térmicas e hidrodinámicas ligadas a rupturas de simetría en cavidades anulares Pino González, David En esta tesis se estudia, mediante simulación numérica directa de las ecuaciones de Navier-Stokes, la dinámica de un fluido en el interior de un anillo cilíndrico en rotación con las tapas ligeramente inclinadas y sometido a un gradiente de temperatura y una gravedad en dirección radial. En el presente trabajo se ha introducido la curvatura de las paredes de forma natural mediante la resolución de las ecuaciones en coordenadas cilíndricas. Se han considerado condiciones de contorno de adherencia en las paredes laterales y esfuerzos cortantes nulos en las tapas del anillo. Si la rotación es suficientemente elevada es conocido que la dinámica se desarrolla en planos perpendiculares al eje de rotación, en forma de ondas que precesionan en el sentido de la rotación, llamadas ondas térmicas de Rossby.

Se ha estudiado la dinámica en función de la rotación, la razón de radios del anillo, del número de Prandtl. El análisis de estabilidad lineal del estado conductivo indica que el inicio de la convección depende fuertemente de una característica del fluido como es el número de Prandtl. Si este parámetro es moderado o elevado las inestabilidades térmicas son dominantes y se han encontrado dos familias de modos dominantes. Se han obtenido modos en los que la convección se desarrolla principalmente cerca del pared interior y están inclinados en el sentido de la rotación (espirales); y modos prácticamente rectos, en los que la convección se desarrolla en toda la capa (normales). Para bajos números de Prandtl todos los modos dominantes son del segundo tipo.

Mediante técnicas de continuación se han analizado las soluciones no lineales relacionadas con los dos tipos de modos existentes para el caso más interesante de los estudiados. Esto es cuando el número de Prandtl es 0.7. Las soluciones obtenidas se han comparado con las encontradas en el caso de capa plana. También se ha analizado la estabilidad lineal de estas soluciones mediante una técnica de Floquet. Se ha obtenido que independientemente del tipo de modo lineal del que provengan las soluciones no lineales presentan una bifurcación subarmónica si los parámetros están cercanos a un cambio de familia de modo.

Por último, se han calculado las soluciones que bifurcan de las anteriores integrando las ecuaciones de Navier-Stokes, de continuidad y de conservación de la energía mediante una evolución temporal de las variables primitivas principalmente para número de Prandtl 0.7. Para una razón de radios fija y tres valores de la rotación diferentes. Dependiendo de sí la solución primaria proviene de un modo normal o no, la bifurcación afecta de manera diferente al transporte de calor de la solución secundaria. Se han obtenido para los casos estudiados dos tipos de convección, "vacilatoria" y en forma de doble columna