En un món ideal, podríem ser capaços de detectar ràpidament i classificar qualsevol tipus de substància química i biològica que es trobés en baixes concentracions, utilitzant instruments petits i de fàcil ús. És en aquest escenari on va aparèixer l'espectrometria de mobilitat iònica (IMS). Es tracta d'una tècnica de mesura i anàlisi, on els analits ionitzats es separen per diferències de mobilitat sota la influència d’un camp elèctric en un flux de gas neutre o d'aire a pressió i temperatura ambient. Els avantatges de l'IMS inclouen instrumentació compacte i portàtil, un temps de separació curt (escala de mili-segons), i uns límits de detecció baixos, i permeten una àmplia gamma d'aplicacions. En aquest sentit, un esforç intens de recerca s'ha enfocat cap a la miniaturització dels dispositius d'IMS disponibles vers als micro- espectròmetres de mobilitat iònica de forma d’ona asimètrica i d’alt camp (FAIMS). En aquesta tesi es presenten els primers desenvolupaments i contribucions tecnològiques als FAIMS en el IMB-CNM (CSIC). En particular, aquest treball està dedicat a la simulació, disseny, i fabricació d'un micro FAIMS planar (p-FAIMS) per a aplicacions de seguretat. El treball s'organitza en cinc capítols dividits en dues seccions. La primera secció consta de tres capítols. El primer capítol és introductori i en el segon capítol s'introdueix al lector en l'actual estat de la tècnica de l'espectrometria de mobilitat iònica en general i en particular per als micro- espectròmetres de mobilitat iònica de forma d’ona asimètrica i d’alt camp. El tercer capítol descriu el modelatge d'un tipus de FAIMS planar per a diferents camps elèctrics i condicions de flux. La segona part consta de dos capítols. El quart capítol presenta un resum dels diferents dissenys i materials considerats per a la implementació del p-FAIMS: estructures Vidre-Si-Vidre i PCB-PMMA-PCB, les tasques tecnològiques fetes per cada un i les estratègies de solució que hi han conduit. La fotoionització UV ha estat l'escollida com a mètode de ionització en tots els casos per raons de seguretat. També es presenta la caracterització amb toluè del nou prototip de p-FAIMS de baix cost fabricat a l'IMB-CNM. El cinquè capítol es presenta un resum de l'estudi de la viabilitat del monitoratge d'un fàrmac analgèsic (remifentanil) en l’alè de pacients sota anestèsia. Un espectròmetre de mobilitat iònica comercial s'utilitza per a aquesta aplicació mèdica en col·laboració amb el KIST-Europe i la Chirurgische Universitätsklinik d'Homburg (Alemanya). / In an ideal world, we might be able to rapidly detect and classify any type of chemical and biological that is found in low concentrations, using instruments of small size and easy implementation. Is in that scenario where the Ion mobility spectrometry (IMS) appeared. It is a technique of measurement and analysis, where ionized analytes are separated by mobility differences under electric field in a flow of neutral gas or air at ambient pressure and temperature. The advantages of IMS include compactness and portability of instrumentation, short separation time (milliseconds scale), and low detection limits, and allow a wide range of applications. In this sense, an intense research effort has been focused towards miniaturization from the available IMS’s devices to the micro high-Field Asymmetric waveform Ion Mobility Spectrometers (FAIMS). This thesis presents the first developments and technological contributions to the FAIMS at IMB-CNM (CSIC). Particularly, this work is dedicated to the simulation, design, and fabrication of a micro planar FAIMS (p-FAIMS) for security applications. The work is organized in five chapters divided in two sections. The first section consists of three chapters. Chapter one is introductory, and on Chapter two introduces the lector to the actual state-of-the-art of the Ion Mobility Spectrometry in general and in particular for the micro high-Field Asymmetric waveform Ion Mobility Spectrometry. Chapter three described the modeling of a planar type of FAIMS for different electric fields and flow conditions. The second section consists of two chapters. Chapter four provides a summary of the different designs and materials considered for the p-FAIMS implementation: Glass-Si-Glass and PCB-PMMA-PCB structures; the technological tasks done for each one and the solving strategies that have leaded to it. UV photoionization has been the chosen as ionization method for safety reasons in all cases. It also presents the characterization with toluene of the new low-cost p-FAIMS prototype fabricated in the IMB-CNM. Chapter five provides a summary of the feasibility study of an online-monitoring of an analgesic drug (remifentanil) in patients breath under anesthesia. A commercial Ion Mobility Spectrometer is used for this medical application in collaboration with the KIST-Europe and the Chirurgische Universitätsklinik from Homburg (Germany).

En esta tesis hemos considerado varios sistemas físicos en los que las correlaciones, tanto las intrínsecas como las creadas específicamente, juegan un papel crucial. En particular, hemos demostrado que es posible generar, manipular y detectar entrelazamiento multipartito entre sistemas atómicos distantes mediante un esquema geométrico novedoso. utilizando un interfaz cuántico de luz-materia basado en el efecto Faraday. En segundo lugar, hemos analizado el entrelazamiento cuántico de subsistemas tripartitos de redes de espín. Hemos analizado partículas de espín 1/2 y aplicando los criterios de necesidad y suficiencia de separabilidad para sistemas de tres-qubit invariantes bajo rotaciones hemos verificado la presencia de entrelazamiento tripartito en estados fundamentales y térmicos para los Hamiltonianos de Heisenber y XXZ. Finalmente hemos estudiado las propiedades de un sistema de bosones en presencia de desorden creado por impurezas aleatorias, contribuyendo al entendimiento de la relación entre la localización causada por el desorden y el efecto contrarrestante de interacciones repulsivas. Debido a la relativa simplicidad del potencial que modela el desorden hemos podido realizar estimaciones analíticas, e.g. evaluar la aplicabilidad de la aproximación multi-orbital de Hartree-Fock para describir el sistema. En esta tesis, también he considerado la caracterización de correlaciones utilizadas como recursos para tareas de información cuántica. Hemos estudiado tareas (desigualdades de Bell) para las cuales los recursos clásicos y cuánticos resultan equivalentes, y únicamente las correlaciones "non-signaling" proporcionan una eficiencia mejor. Como resultado hemos presentado un método sistemático para la construcción de estas tareas, mostrando que poseen una relación inesperada cons las llamadas "Unextendible Product Bases". / In the thesis we have considered several physical systems in which correlations, either intrinsically present or specially engineered, play a crucial role. In particular, we have shown how the application of what we call the geometric set-up for the QND-Faraday atom-light interface facilitates generation, manipulation and detection of multipartite entanglement between atomic ensembles. Second, we have analysed the separability properties of tripartite subsystems of spin networks. We have concentrated on spin-1/2 particles and applying the necessary and sufficient separability criteria for rotationally invariant three-qubit systems we verified the presence of tripartite entanglement in ground and thermal states of Heisenberg and XXZ Hamiltonians. Finally, we have studied the properties of the system of bosons in the presence of random-impurities disorder, contributing to the understanding of the interplay between the localization caused by disorder and the counteractive effect of repulsive interactions. Due to the simplicity of the disordered potential we were able to provide several analytical estimates, e.g., assess the applicability of the simple multi-orbital Hartree-Fock description of the system. n this thesis, I have as well consider the problem of characterization of correlations as a resource for quantum information. We have studied tasks (Bell inequalities) for which quantum and classical resources work equally well, and only more general non-signalling correlations enable one to perform them more efficiently. We have provided a systematic method for construction of such tasks, showing an intriguing connection to Unextendible Product Bases.

El model estandar (ME) és actualment el marc teòric més complet que descriu la física de les partícules elementals. En ell s'hi descriuen les partícules de matèria (fermions) i les seves interaccions (bosons). Fins ara no s'ha trobat cap desviació significativa entre l'experiment i les prediccions del model. Així i tot, el ME no pot ser la teoria final que descriu la física de partícules perquè pateix dificultats teòriques importants a més altes energies. Una de les possibles extensions del ME amb més acceptació és la Supersimetria (SUSY) que relaciona masses i acoblaments entre bosons i fermions. D'aquesta forma, per cada bosó existent al ME ha d'existir una "super-parella" fermiònica i a l'inrevés. A més, una altra simetria anomenada "paritat R" s'hi acostuma a introduir per tal d'evitar la violació del nombre bariònic i leptònic. Si això és així, aquestes noves partícules, que apareixerien a l'escala energètica dels TeV, s'haurien de formar per parelles i no podrien desintegrar-se completament en partícules del ME. Això implica l'existència d'una partícula supersimètrica que sigui la més lleugera de totes (LSP), la qual serà estable i un candidat a explicar la presència de matèria fosca freda a l'univers.Precisament l'escala energètica dels TeV és el rang d'energies accessible per al col·lisionador protó-antiprotó Tevatron (Fermilab). Tevatron i els seus dos experiments, els detectors CDF i D0 van ser preparats per l'anomenat "Run II" en el que les col·lisions se succeeixen cada 396 ns amb un centre de masses d'1.96 TeV. Degut a què les noves partícules són molt massives, es desintegren en cascades amb múltiples raigs de partícules (jets) d'alt moment transversal. Quan la paritat R es conserva, dos LSP són produïts que escapen del detector deixant un important desequilibri en el balanç energètic del succés.Aquesta tesi tracta de la recerca de les super-parelles dels quarks (squarks) i gluons (gluinos) en múltiples jets i energia transversa mancant, amb les dades recollides amb el detector CDF durant gran part del Run II (371 pb-1 de lluminositat). Per aquest motiu, s'ha dut a terme un estudi curós de les condicions del feix i dels diferents processos del ME que tenen estats finals similars al senyal. Diferents talls per reduir la seva presència tot potenciant el possible senyal s'han estudiat i optimitzat. També s'han considerat les diferents fonts d'errors experimentals i teòrics per tal de fer una bona caracterització de les dades.Observant les dades, no s'ha trobat cap desviació significativa de les prediccions del ME. Degut a aquests resultats, s'han posat límits inferiors a la massa squarks i gluinos (menor de 387 GeV/c2) en un determinat escenari del model teòric anomenat mSUGRA. Aquest estudi és pioner al Run II de CDF i els resultats presenten millores significatives respecte a anteriors límits. En aquest sentit, el present treball constitueix la base i serà la referència per a futures extensions amb més dades.

El presente trabajo responde a la necesidad de caracterizar experimentalmente los campos de neutrones generados en instalaciones médicas tipo LINAC y PET. Estos campos pueden ser pulsados, intensos y venir acompañados de una componente predominante de fotones de alta energía tal que los instrumentos activos pueden experimentar algunas limitaciones, como la aparición del fenómeno de pile‐up, tiempos muertos grandes y interferencias de radiofrecuencia. Para superar estas dificultades, se ha desarrollado recientemente en el laboratorio del Grup de Física de les Radiacions de la UAB, un espectrómetro pasivo de esferas Bonner (BSS), utilizando láminas de oro puro como detector central. Este espectrómetro debe tolerar exposiciones en condiciones ambientales extremas de temperatura y humedad, y debe ser capaz de medir los espectros de neutrones en estos entornos independientemente de su dirección de incidencia y en un amplio rango de energías (de 1 MeV a 20 MeV). El manuscrito describe el diseño, caracterización y aplicación del nuevo espectrómetro pasivo de esferas Bonner para neutrones de la UAB. La matriz de respuesta en energía del espectrómetro se ha simulado con técnicas de Monte‐Carlo y se ha validado experimentalmente con irradiaciones en campos neutrónicos de referencia. Se ha establecido un procedimiento para estimar el límite de detección de la tasa de fluencia neutrónica. El BSS pasivo de la UAB se ha utilizado para medir los espectros de neutrones alrededor de 7 aceleradores LINAC diferentes. A partir de los resultados obtenidos se han estudiado los efectos de la utilización de diferentes técnicas de irradiación, de diferentes energías nominales del haz de fotones y de diferentes geometrías de las salas de irradiación. El espectrómetro también se ha utilizado para determinar los espectros de neutrones alrededor de 2 ciclotrones PET, uno de ellos una máquina sin blindaje, el otro un ciclotrón auto‐blindado. / The present work deals with the need of characterising experimentally the neutron fields generated in LINAC and PET medical facilities. These fields may be pulsed, intense and mixed with high energy predominant photon component, where active instruments may experiment some limitations such as pulse pile‐up, dead‐time and radiofrequency interferences. To overcome these difficulties, a passive Bonner sphere spectrometer (BSS), using pure gold foils as central detectors, has been recently developed in the laboratory of the Grup de Física de les Radiacions at the UAB. This spectrometer should tolerate exposures in extreme environment conditions of temperature and humidity, and should be able to measure neutron spectra in such environments independently on their direction of incidence and over a wide energy range (from 1meV up to 20 MeV). The manuscript describes the design, characterisation and application of the new UAB neutron passive Bonner sphere spectrometer. The energy response matrix of the spectrometer has been simulated with Monte‐Carlo techniques and experimentally validated with irradiations in reference neutron fields. A procedure to estimate the neutron fluence rate detection limit has also been established. The UAB passive BSS has been used to measure the neutron spectra around 7 different LINAC accelerators to study the effects of using different irradiation techniques, nominal beam energies and room geometries. The spectrometer has also been used to determine the neutron spectra around 2 PET cyclotrons, one of them an un‐shielded machine, the other one a self‐shielded one.

En este trabajo, hemos establecido una nueva aproximación para determinar el factor de equilibrio de los descendientes de 222Rn, durante periodos largos de tiempo y en presencia de 220Rn, utilizando un sistema pasivo, integrador y multicomponente de detectores de trazas nucleares. El método se basa en el hecho de que los periodos de semidesintegración del 222Rn y del 220Rn son diferentes, de que ambos isótopos tienen el mismo coeficiente de difusión en un medio dado, y de que la respuesta de los detectores de trazas nucleares depende de las condiciones del revelado electroquímico utilizadas. El dosímetro puesto a punto consta de: i) dos detectores de Makrofol, designados como detectores A y B, que están situados en el interior de dos cámaras de difusión - cada una con un filtro diferente - para medir 222Rn+220Rn y 222Rn, además de ii) dos detectores de Makrofol (C y D) que están en contacto directo con el aire y a los cuales se les aplica diferentes condiciones de revelado electroquímico para obtener las concentraciones del 218Po y del 214Po.Las sensibilidades de cada detector de Makrofol con respecto al 222Rn, 220Rn y progenie se han calculado teóricamente utilizando la técnica de Monte Carlo, teniendo en cuenta: (1) la ecuación de Bethe-Bloch para determinar el poder de frenado de partículas cargadas pesadas en un medio material, (2) las propiedades y el comportamiento del 222Rn, 220Rn y descendientes en el aire libre y dentro de una cámara de difusión, y (3) el rango de energías de partículas a que registra cada detector. El código desarrollado para estos cálculos se ha validado reproduciendo la respuesta de un detector ideal, tanto en el aire libre como dentro de una cámara de difusión.Se ha llevado a cabo un estudio experimental detallado en el que se han determinado los filtros óptimos para la separación 222Rn/220Rn y las condiciones de revelado electroquímico apropiadas para cada detector. Asimismo, hemos calibrado los detectores A y B en atmósferas puras de 222Rn y hemos confirmado experimentalmente que los valores del factor de equilibrio determinados con nuestro dosímetro están en buen acuerdo con los obtenidos mediante sistemas activos.Finalmente, como experiencia piloto, varios dosímetros han sido expuestos en una casa unifamiliar habitada de Suecia. Los resultados de esta exposición indican la utilidad de nuestro método para llevar a cabo campañas de medida de los niveles de 222Rn, en lugares de trabajo y en casas privadas, a fin de estimar la dosis efectiva anual recibida por los trabajadores y por el público en general. / In this work, we establish a novel approach for long-term determination of indoor 222Rn progeny equilibrium factor, even in the presence of 220Rn, using a passive, integrating and multi-component system of nuclear track detectors. The method is based on the fact that the half-lives of 222Rn and 220Rn are different, that both isotopes have the same diffusion coefficient in a given medium and that the response of the nuclear track detectors depends on the electrochemical etching conditions used. The new dosimeter set up for this purpose consists of: i) two Makrofol detectors, namely detectors A and B, which are enclosed within two diffusion chambers - each one with different filter membrane - to measure indoor 222Rn+220Rn and 222Rn, together with ii) two Makrofol detectors (C and D) that are kept in direct contact with air and that are electrochemically etched at different conditions to obtain the airborne 218Po and 214Po concentrations.The sensitivities of each Makrofol detector in front of 222Rn, 220Rn and their decay products have been theoretically obtained using Monte-Carlo technique, taking into account: (1) the Bethe-Bloch expression for the stopping power of heavily charged particles in a medium, (2) the behaviour of 222Rn, 220Rn and their progeny in the open air and within the diffusion chamber, and (3) the a-energy window response of each detector. The computer code used for the calculation has been validated by reproducing the response of an ideal detector, both in the free air and enclosed within a diffusion chamber.A detailed experimental study has been carried out in which we have determined the optimum filters for 222Rn/220Rn separation and the appropriate electrochemical etching conditions for each of the Makrofol detector used. Otherwise, we have calibrated the detectors A and B in pure 222Rn atmospheres and we have confirmed experimentally that the equilibrium factor values determined with our system agree with those obtained by active methods.Finally, as a pilot test, several dosimeters were exposed in an inhabited Swedish single-family house. The results of this exposure suggest the usefulness of this method to perform routine surveys for 222Rn level measurements in private homes and in workplaces in order to estimate the annual effective dose received by the general public and the workers.

El problema de la jerarquía se puede resolver en ciertos modelos de branas debido aque, en estos modelos, la separación entre la escala electrodébil y la de Planckdepende del tamaño de las dimensiones extra. Éste viene caracterizado por unmodo escalar de la métrica conocido como el radión, de forma que una solucióncompleta al problema de la jerarquía requiere algun mecanismo de estabilizaciónque fije su valor y explique por qué no se observan las interacciones escalarestransmitidas por el radión.En esta tesis se estudia la posibilidad de que la energía de Casimir estabiliceel radión (proporcionandole una masa suficientement grande) y generen lajerarquía de forma natural. Se argumenta que en modelos donde la geometría noes factorizable, los efectos cuánticos proporcionan un mecanismo deestabilización capaz de generar y estabilizar la jerarquía. En conctreto, sediscuten los efectos cuánticos en tres familias de modelos.El primer ejemplo consiste en un modelo tensor--escalar en cinco dimensiones enque el factor de 'warp' crece como una potencia de la distancia. La presencia deuna simetría de 'scaling' anómala permite estabilizar las posiciones de las branasy generar la jerarquía de forma natural incluso para potencias pequeñas. Noobstante, las masas de los módulos es suficientemente grande cuando la potenciadel factor de warp es de orden 10 o mayor.La segunda clase de modelos consiste en un espacio de más de 5 dimensiones donde elespacio interno y las direcciones no compactas tienen un factor de warpexponencial. En este modelo, la jerarquía se genera mediante una combinación delos efectos de redshift y de volumen grande. Se encuentra que los efectoscuánticos estabilizan las posiciones de las dos branas y generan la gerarquía deforma natural si el espacio interno es plano.En el tercer tipo de modelos, el espacio interno no tiene factor de warp y la jerarqía se genera mediante el efecto de redshift. Al igual que en el modelo de Randall Sundrum, la fuerza de Casimir debida a un campo de gauge en el bulk puede estabilizar la jerarquía de forma natural.Se concluye que en los modelos de branas con geometría no factorizable, los efectos cuánticos son capaces de estabilizar la jerarquía naturalmente de forma relativamente genérica. / Certain brane world scenarios can solve the hierarhy problem exploiting the fact that, in these models, the separation between the electroweak and the Planck scales --'the hierarchy'-- depends on the size of the extra dimensions. This size is parmetrized by a scalar mode of the higher dimensional metric called 'the radion'. Hence, a complete solution to the hierarchy problem requires a stabilization mechanism that naturally fixes the radion at an appropriate value and explains why the interactions mediated by such a scalar are not observed.In this thesis, we consider the possibility that the Casinir energy is responsible for stabilizing the radion and generating a large hierarchy in a natural way. We argue that, in scenarios where the geometry is not factorizable, the quantum effects indeed can provide a stabilization mechanism that generates naturally a large hierarchy. Specifically, we discuss three classes of models.The first example consists in a five dimensional scalar--tensor model bounded by two parallel branes, where the warp factor grows like a power of the distance. The presence of an anomalous scaling symmetry in the model allows to stabilize the moduli, which correspond to the brane locations. A large hierarchy can be obtained even for low values of the power. However, the generated masses for the moduli are large enough if the power of the warp factor is of order 10 or bigger.The second class of models consists in a space of more than five dimensions where the additional internal space and the noncompact directions share an exponential warp factor. In these models, the hierarchy is generated by a combination of the redshift effect and the large volume effect. We find that the Casimir energy stabilizes the brane positions and generate a large hierarchy if the internal space is flat.In the third example, the internal space does not have a warp factor and the hierarhy is generated by the redshift effect. As is the Randall Sundrum model, the Casimir force due to a bulk gauge field can generate and stabilize a large hierarchy in a natural fashion.We conclude that relatively generically, the quantum effects can naturally stabilize a large hierarchy in models with a non factorizable geometry.

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Even though the transition to turbulence has been studied for over a century, its complete comprehension still remains unclear even for the simplest flows and continues to be a daunting challenge for the scientific community. Among these, there is the transition from the von K\'arm\'an vortex street to turbulent wakes. The complexity of this problem poses a series of difficulties that leaves little room for manoeuvre, so other ways to tackle this question have to be sought. A reasonable option is the analysis of the instability phenomena that other flows with the same symmetry group undergo. Despite being really different, an example of such flow is the one generated in a cylindrical cavity subjected to an oscillatory shear. The purpose of the present thesis has been to provide a deeper understanding of the mechanisms that are responsible for the transition in oscillatory cylindrical cavities. Besides the potential implications of studying such systems for the transitions in wake flows, the system under consideration might be useful for any investigation involving a periodic forcing. Accurate spectral computations of the incompressible Navier-Stokes equations have been combined with equivariant bifurcation and normal form theories in an attempt to achieve our goal from different, yet complementary, perspectives. The utilisation of these techniques has produced positive results in the field under consideration. The linear stability analysis has resulted in three types of different bifurcations expected by normal form theory and previous results. The evolution in time of these bifurcating modes yield the non-linear saturated states, which can be synchronous with the forcing or acquire an additional frequency (quasiperiodic). Furthermore, the exploration of regions where two synchronous modes become unstable at the same time, has provided a wide variety of novel states that are not necessarily synchronous. The description of these phenomena via bifurcation theory and dynamical systems techniques is in accordance with the numerical simulations, despite not having an absolute quantitative agreement between them. The research focused on the study of viscoelastic fluids in periodically driven cylindrical cavities is a natural extension of the main topic of this thesis. Although this part has to be considered in a preliminary stage, there are some evidences suggesting that the system is always linearly stable and the only possibility to break the basic state is via a subcritical finite-amplitude bifurcation. The transition recalls in a great deal the instabilities in Newtonian plane Couette and pipe Poiseuille, thus resulting in a much more difficult instability scenario that the one that was initially expected. / Encara que la transició a la turbulència s'ha estat estudiant durant més d'un segle, la comprensió completa d'aquesta, encara roman poc clara ,fins i tot en els fluxos més senzills, i contínua sent un repte d'enormes proporcions per a la comunitat científica. La complexitat d'aquest problema planteja una sèrie de dificultats que deixen poc marge de maniobra i, per tant, s'han de cercar altres mètodes per atacar aquesta qüestió. Una opció molt raonable és l'anàlisi dels fenòmens d'inestabilitats en altres sistemes amb el mateix grup de simetries. Malgrat ser molt diferents, un exemple d'aquest tipus de flux seria el que es genera en una cavitat cilíndrica sotmesa a un esforç de cisalla oscil·latori. L'objectiu de la present tesi ha estat proporcionar un coneixement més profund dels mecanismes responsables en la transició en cavitats cilíndriques. Deixant de banda les possibles implicacions d'estudiar aquests sistemes pel que fa a les transicions dels fluxos en les esteles, el sistema que s'està considerant pot resultar útil en qualsevol investigació que involucri un forçament periòdic. En un intent d'arribar a bon port des de diferents punts de vista, càlculs espectrals precisos de les equacions de Navier-Stokes s'han combinat amb la teoria de formes normals. La utilització f'aquestes tècniques ha produït resultats positius en aquest camp. L'anàlisi d'estabilitat lineal ha revelat tres tipus diferents de bifurcacions, les quals s'esperaven a causa de la teoria de formes normals i resultats anteriors. L'evolució temporal d'aquests modes que bifurquen han proporcionar estats saturats no-lineals, els quals poden ser síncrons amb el forçament o poden adquirir una freqüència addicional (quasiperiòdic). A més a més, l'exploració de les regions on dos modes síncrons esdevenen inestables a la vegada, ha proporcionat una gran varietat de nous estats que no han de ser necessàriament síncrons. La descripció d'aquest fenomen per mitjà de la teoria de bifurcacions i les tècniques de sistemes dinàmics, es troben en acord amb les simulacions numèriques, malgrat que no hi ha una concordància absoluta entre ells. La recerca focalitzada en l'estudi de fluids viscoelàstics en cavitats cilíndriques forçades perioòdicament, és una extensió natural de la temàtica principal d'aquesta tesi. Tot i que aquesta part ha de ser considerada com un estudi preliminar, hi ha algunes evidències que suggereixen que el sistema és sempre linealment estable i l'única manera de desestabilitzar l'estat bàsic és per mitjà d'una bifurcació subcrítica d'amplitud finita. La transició ens recorda en gran mesura el cas de les inestabilitats en el Couette pla i el Poiseuille cilíndric de fluids Newtonian, obtenint així un escenari per la transició molt més difícil dels que ens esperàvem.

Quantum mechanics was developed as a response to the inadequacy of classical physics in explaining certain physical phenomena. While it has proved immensely successful, it also presents several features that severely challenge our classicality based intuition. Randomness in quantum theory is one such and is the central theme of this dissertation. Randomness is a notion we have an intuitive grasp on since it appears to abound in nature. It a icts weather systems and nancial markets and is explicitly used in sport and gambling. It is used in a wide range of scienti c applications such as the simulation of genetic drift, population dynamics and molecular motion in fluids. Randomness (or the lack of it) is also central to philosophical concerns such as the existence of free will and anthropocentric notions of ethics and morality. The conception of randomness has evolved dramatically along with physical theory. While all randomness in classical theory can be fully attributed to a lack of knowledge of the observer, quantum theory qualitatively departs by allowing the existence of objective or intrinsic randomness. It is now known that intrinsic randomness is a generic feature of hypothetical theories larger than quantum theory called the non-signalling theories. They are usually studied with regards to a potential future completion of quantum mechanics or from the perspective of recognizing new physical principles describing nature. While several aspects have been studied to date, there has been little work in globally characterizing and quantifying randomness in quantum and non-signalling theories and the relationship between them. This dissertation is an attempt to ll this gap. Beginning with the unavoidable assumption of a weak source of randomness in the universe, we characterize upper bounds on quantum and non-signalling randomness. We develop a simple symmetry argument that helps identify maximal randomness in quantum theory and demonstrate its use in several explicit examples. Furthermore, we show that maximal randomness is forbidden within general non-signalling theories and constitutes a quantitative departure from quantum theory. We next address (what was) an open question about randomness ampli cation. It is known that a single source of randomness cannot be ampli ed using classical resources alone. We show that using quantum resources on the other hand allows a full ampli cation of the weakest sources of randomness to maximal randomness even in the presence of supra-quantum adversaries. The signi cance of this result spans practical cryptographic scenarios as well as foundational concerns. It demonstrates that conditional on the smallest set of assumptions, the existence of the weakest randomness in the universe guarantees the existence of maximal randomness. The next question we address is the quanti cation of intrinsic randomness in non-signalling correlations. While this is intractable in general, we identify cases where this can be quanti ed. We nd that in these cases all observed randomness is intrinsic even relaxing the measurement independence assumption. We nally turn to the study of the only known resource that allows generating certi able intrinsic randomness in the laboratory i.e. entanglement. We address noisy quantum systems and calculate their entanglement dynamics under decoherence. We identify exact results for several realistic noise models and provide tight bounds in some other cases. We conclude by putting our results into perspective, pointing out some drawbacks and future avenues of work in addressing these concerns.

The emission of light is at the heart of both fundamental science and technological applications. At its origin lie electronic transitions in nanoscale materials such as molecules, atoms and semiconductors. The interaction of light with such single quantum emitters is inefficient because of their point-like character. Efficient interfaces between light and nanoscale matter are therefore necessary. Inspired by the effective communication between small electronic circuits enabled by radio-frequency antenna technology, an emitter can be addressed efficiently with a nanoantenna, an optical element that converts localized energy into propagating radiation. The control of light emission with such optical antennas is the topic of this Thesis. By coupling an emitter to a metal antenna, the emission properties are determined by the antenna mode in direction, transition rates, polarization, and spectrum. In Chapter 1, we set out the basic concepts of optical antenna theory. To couple an emitter to an antenna, it must be within its near field. In Chapter 2, we introduce a nanofabrication method to place quantum dots on metal nanostructures with high spatial accuracy. The resulting emitter-antenna systems are imaged by confocal microscopy and their angular radiation patterns directly recorded. This combination of experimental methods allows us to study any optical antenna. A metal wire is the canonical antenna design and the basis to understand and construct other optical antennas. Through selective coupling of a quantum dot to the resonant modes of a nanowire, we demonstrate in Chapter 3 that the emission of a dipolar source can be converted controllably into higher multipolar radiation. We describe the antenna as a standing-wave resonator for plasmons and reproduce its emission with a multipolar expansion. An aperture in a metal film can be regarded as the complementary structure of a wire. In Chapter 4, we address the emission of light through a rectangular nanoaperture as an antenna problem. We demonstrate, explicitly, that resonant nanoslot antennas display a magnetic dipole response. Such antennas offer an efficient interface between emitters and surface plasmons. The excitation or detection of a dipolar emitter from the far field involves large solid angles. To address quantum emitters efficiently, a low divergence of their radiation patterns is needed. To this end, in Chapter 5 we develop and realize unidirectional optical antennas. We show how the emission of a quantum emitter is directed by multi-element Yagi-Uda and log-periodic optical antennas and demonstrate directional operation of a single-element design based on a splitring resonator. Light emission usually occurs through electric dipole transitions because multipolar emission rates are orders of magnitude slower. In some materials, however, multipolar optical transitions do occur. In Chapter 6, we assess through simulations the feasibility of enhancing magnetic dipole and electric quadrupole transitions with several realistic nanoantenna designs. The results in this Thesis demonstrate the potential of optical antennas as elements to control light on the nanoscale, based on radio and microwave antenna engineering. Within this powerful paradigm, the interaction of light with nanoscale matter can be tailored with complete flexibility. Such a degree of control over light emission and absorption may have a practical impact in spectroscopy, sensing, display technologies, lighting, photovoltaics, and general optical and optoelectronic devices. / La emisión de luz radica en el corazón tanto de la ciencia fundamental como de varias aplicaciones tecnológicas. En su origen están las transiciones electrónicas en nanomateriales como moléculas, átomos y semiconductores. La interacción de la luz con uno de estos emisores cuánticos es ineficiente debido a su carácter puntual. Es necesario, por tanto, desarrollar interfaces más eficientes entre la luz y la materia de tamaño nanoscópico. Inspirándonos en la comunicación entre pequeños circuitos electrónicos que permiten las antenas de radio, se puede interactuar más eficientemente con un emisor utilizando una nanoantena como elemento óptico que convierte la energía localizada en radiación propagante. Esta Tesis trata sobre el control de la emisión de luz con tales antenas ópticas. Acoplando un emisor a una antena metálica, las propiedades de la emisión pasan a estar determinadas por el modo de la antena en dirección, tasas de transición, polarización y espectro. En el Capítulo 1, establecemos las nociones básicas de la teoría de antenas ópticas. Para acoplar un emisor a una antena, éste debe encontrarse en su campo cercano. En el Capítulo 2, presentamos un método de nanofabricación para posicionar puntos cuánticos sobre nanoestructuras metálicas con alta resolución espacial. Para caracterizar los sistemas emisor-antena resultantes, adquirimos imágenes mediante microscopía confocal y medimos sus patrones angulares de radiación. Esta combinación de métodos experimentales nos permite el estudio de cualquier antena óptica. El diseño canónico de una antena es un cable metálico. Es la base para entender y construir otras antenas ópticas. Mediante acoplamiento selectivo de un punto cuántico a los modos resonantes de un nanocable, en el Capítulo 3 demostramos que la emisión de una fuente dipolar puede ser convertida en radiación multipolar controladamente. Describimos la antena como un resonador de onda estacionario para plasmones y reproducimos su emisión con una expansión multipolar Se puede considerar una apertura en una película metálica como la estructura complementaria de un cable. En el Capítulo 4, tratamos la emisión de luz a través de una apertura rectangular como un problema de antenas. Demostramos, explícitamente, que una nano-ranura resonante posee respuesta dipolar magnética. Estas antenas permiten una conversión eficiente entre emisores de fotones y plasmones superficiales. La excitación o detección de un emisor dipolar conlleva ángulos sólidos grandes. Para abordar un emisor cuántico individual eficientemente desde el campo lejano, se requieren patrones angulares con una baja divergencia. Con estre fin, en el Capítulo 5 desarrollamos e implementamos antenas ópticas unidireccionales. Demostramos cómo la emisión de un emisor cuántico puede ser dirigida por antenas multi-elemento de Yagi-Uda y logarítmicas periódicas y observamos direccionalidad en una antena compuesta por un único elemento con forma de diapasón. La emisión de luz ocurre normalmente a través de transiciones de dipolo eléctrico porque las tasas de emisión multipolares son, por lo general, mucho más lentas. Sin embargo, en algunos materiales se pueden observar transiciones multipolares. En el Capítulo 6, evaluamos la posibilidad de mejorar la emisión de transiciones dipolares magnéticas y cuadrupolares eléctricas mediante distintos diseños realistas de antenas ópticas. Los resultados de esta Tesis demuestran el potencial de las antenas ópticas como elementos para el control de la luz a escalas nanométricas, basadas en la ingeniería de antenas de radio y microondas. Dentro de este paradigma, se puede manipular la interacción de la luz con la materia con total flexibilidad. Tal grado de control sobre la emisión y la absorción de la luz podría tener un gran impacto práctico en espectroscopía, sensores, pantallas, iluminación, energía fotovoltaica y todo tipo de dispositivos ópticos y optoelectrónicos