No description available.

The Balearic Islands, located in the Western Mediterranean Sea, are the natural limit between the Balearic subbasin, at the noth and the Algerian subbasin, at the south. Previous studies based on hydrographic data have revealed that each of the basins have a di erent oceanographic climatology. One one hand, the Balearic subbasin has colder and saltier waters as a result of the water modi - cation during the cyclonic circulation of the Mediterranean Sea. On the other, the Algerian subbasin waters are warmer and fresher, incoming directly from the Atlantic Ocean and entering into the Mediterranean through the Strait of Gibraltar. These two subbasins are connected via the topographic channels between the islands, whose hydrodynamic properties are governed by the mesoscale situation: non-permanent small scale phenomena (.100 km). Studying the mesoscale situation around the Balearic Islands can be useful for understanding how the water exchanges between the two subbasins are. Moreover, mesoscale structures, such as eddies, laments or fronts, can temporarily change the hydrodynamic conditions. When it occurs, mesoscale variability not only a ects the hydrodynamic conditions (water exchanges, alteration of the main currents, . . . ), but may also impact on the local ecosystems. Understanding how the shing resources from the Balearic Islands are a ected by the mesoscale hydrodynamic situation has been one of the objectives of the IDEADOS project (CMT2008-04489-C03-01), the framework in which this thesis has been developed. The project focused in two areas of shing interest: one located northwards of Mallorca Island, in the Balearic subbasin (Sóller), and another placed southwards, inside the Mallorca Channel (Cabrera). As part of the above mentioned research project, two mooring lines were deployed, one in the limit of each shing ground and were maintained during 15 months. Using recorded data from the moorings, together with satellite observations and landing data from different species, we addressed questions such as: How is the hydrodynamic activity in each zone and which are the similarities and/or di erences between both places from an oceanographic perspective? Which are the main features of the mesoscale phenomena detected? And, how does the hydrography a ect the sediment ux dynamics and the shing resources of each zone? The chapters of this thesis, which correspond to published articles in scienti c journals, are organized following the previous questions. In the rst chapter the data recorded by each mooring is analyzed with the aim of characterizing each zone and compare them. Derived from this study and in the second chapter, one of the mesoscale events detected in Sóller is deeply analyzed. This structure was an eddy which lasted about one month, reached down to the sea oor and completely changed the mean oceanographic properties in the complete water column. In the third chapter, the data collected by the sediment traps is analyzed and a relationship between the sediment uxes measured and the possible triggering mechanisms is addressed. Finally, a study about the relationship between the observed hydrodynamics and the red shrimp (Aristeus antennatus) dynamics is performed. It is observed that the adult individuals of red shrimp would be a ected by the bottom turbidity generated by the mesoscale phenomena. In turn, they would respond moving away from the shing grounds, probably towards greater depths. As the main mesoscale events take place in Sóller during winter time, this could provoke the reported reduction of the amount of large individuals of red shrimp caught during this part of the year in this shing ground. The results of this thesis reinforce the lately recognized theory that shing resources are not only a ected by their exploitation or the self oscillations of the ecosystem (biotic factors), but they are also in uenced by the changing oceanographic situation (abiotic factor). / Las Islas Baleares, situadas en el Mar Mediterráneo Occidental, son el límite natural entre la subcuenca Balear, al norte y la subcuenca Argelina, al sur. Estudios previos basados en datos hidrográ cos han revelado que cada una de las cuencas posee una climatología oceanográ ca característica: la subcuenca Balear contiene aguas más frías y salinas como resultado de la modi cación de las aguas durante la circulación ciclónica del Mediterráneo, mientras que la subcuenca Argelina contiene aguas más calientes y menos salinas provenientes directamente de aguas Atlánticas que entran por el estrecho de Gibraltar. Estas dos subcuencas están conectadas a través de los canales entre las islas, cuya hidrodinámica está dominada por la situación de mesoscala: fenómenos de escala pequeña (.100km) y que no son permanentes en el tiempo. Intentar conocer mejor la situación de mesoscala alrededor de las Islas Baleares puede ayudar a entender como son los intercambios de aguas entre las dos subcuencas. Además, los fenómenos asociados a la mesoscala, como son los vórtices, lamentos o frentes, pueden cambiar por completo la hidrodinámica temporalmente. En ese instante, los efectos de la mesoscala se extienden, no sólo a la oceanografía física (intercambio de aguas, alteración de las principales corrientes, entre otras), sino que también puede afectar a los ecosistemas de la zona. Entender como se ven afectados los recursos pesqueros de las Islas Baleares por la situación hidrodinámica de mesoscala ha sido uno de los objetivos del proyecto IDEADOS (CMT2008-04489-C03-01), marco en el que se ha desarrollado esta tesis. El proyecto se centró en el estudio de dos zonas de pesca: una situada al norte de Mallorca, dentro de la subcuenca Balear y conocida como Sóller, y una localizada más al sur, dentro del canal de Mallorca y conocida como Cabrera. Para recoger los datos oceanográ cos necesarios para la elaboración de este estudio, se instaló una línea de fondeo durante 15 meses en el límite de cada una de las zonas de pesca. Con estos datos y con la ayuda de datos de satélite y de capturas de diferentes especies, se ha intentado dar respuesta a preguntas como: ¾cómo es la hidrografía de cada una de las zonas y cuales son las similitudes o diferencias entre las dos zonas? ¾Qué características tienen los fenómenos de mesoscala detectados? Y, ¾cómo afecta la hidrografía a la dinámica del ujo de sedimentos y a los recursos pesqueros de cada zona? Los capítulos de resultados de esta tesis, que son reproducciones eles de los artículos publicados en revistas cientí cas, están organizados para intentar responder a las preguntas acabadas de plantear. En el primer capítulo se analizan los datos recogidos por cada uno de los fondeos con el objetivo de fondo de caracterizar cada una de las zonas y compararlas entre ellas. Derivado de este estudio, ya en el segundo capítulo, se analiza en detalle uno de los eventos de mesoscala más intensos que se registró en Sóller: un vórtice que duró alrededor de un mes, llegando al fondo marino y que cambió por completo las propiedades oceanográ cas promedio de la zona en toda la columna de agua. En el tercer capítulo se estudian los datos provenientes de cada una de las trampas de sedimentos presentes en los fondeos y se relacionan los ujos totales de masa recogidos con los posibles mecanismos generadores. Finalmente, se elabora un estudio sobre la relación de la hidrodinámica y las capturas de gamba roja (Aristeus antennatus). Se deduce que los individuos adultos de gamba roja se verían afectados por la turbidez de fondo generada por los fenómenos de mesoscala, y responderían alejándose de las zonas de pesca, probablemente hacia profundidades mayores. Ya que los eventos de mesoscala más importantes se dan en Sóller y principalmente en invierno, esto provocaría que la cantidad de gamba roja grande capturada durante esta época del año se viese reducida en este caladero. Los resultados de esta tesis refuerzan la teoría de que los recursos pesqueros no sólo se ven afectados por su explotación o por las oscilaciones del propio ecosistema (factores bióticos) sino que también se ven in uenciados por la situación oceanográ ca cambiante (factor abiótico). / Les Illes Balears, situades a la Mar Mediterrània Occidental, són el límit natural entre la subconca Balear, al nord, i la subconca Algeriana, al sud. Estudis previs basats en dades hidrogrà ques han revelat que cada una de les conques posseix una climatologia oceanogrà ca característica: la subconca Balear conté aigües més fredes i salines com a resultat de la modi cació de les aigües durant la circulació ciclònica a la Mediterrània, mentre que la subconca Algeriana conté aigües més calentes i menys salines provenents directament d'aigües Atlàntiques que entren per l'estret de Gibaltar. Aquestes dues subconques estan connectadas a través dels canals entre les illes, la hidrodinàmica dels quals està dominada per la situació de mesoscala: fenòmens d'escala més petita (. 100km) i que no són permanents en el temps. Intentar conèixer millor la situació de mesoscala al voltant de les Illes Balears pot ajudar a entendre com són els intercanvis d'aigües entre les dues subconques. A més, els fenòmens associats a la mesoscala, com són vòrtexs, laments o fronts, poden canviar per complet la hidrodinàmica temporalment. En aquest moment, els efectes de la mesoscala s'extenen, no tan sols a la ocenogra a física (intercanvi d'aigües, alteració de les principals corrents, entre d'altres), sinó que també poden afectar als ecosistemes de la zona. Entendre com es veuen afectats els recursos pesquers de les Illes Balears per la situació hidrodinàmica de mesoscala ha estat un dels objectius del projecte IDEADOS (CMT2008-04489-C03-01), marc en el que s'ha desenvolupat aquesta tesi. El projecte es va centrar en l'estudi de dues zones de pesca: una situada al nord de Mallorca, dins la subconca Balear i coneguda con Sóller, i una localitzada més al sud, dins al canal de Mallorca i coneguda com Cabrera. Per recollir les dades oceanogrà ques necessàries per a l'elaboració de l'estudi, es va instal lar una línia de fondeig durant 15 mesos al limit de cada una de les zones de pesca. Amb aquestes dades i amb l'ajuda de dades de satèl lit i de captures de diferents espècies, s'ha intentat donar resposta a qüestions com: com es la hidrogra a de cada una de les zones i quines són les similituts o diferencies entre les dues zones? Quines característiques tenen els fenòmens de mesoscala detectats? I, com afecta la hidrogra a a la dinàmica del uxe de sediments i als recursos pesquers de cada zona? Els capítols de resultats d'aquesta tesi, que són reproduccions dels dels articles publicats en revistes cientí ques, estan organitzats per intentar respondre a les preguntes plantejades abans. En el primer capítol s'analitzen les dades recollides per cada un dels fondejos amb l'objectiu de fons de caracteritzar cada una de les zones i comparar-les entre elles. Derivat d'aquest estudi, en el segon capítol, s'analitza en detall un dels events de mesoscala més intens que es va enregistrar a Sóller: un vòrtex que durà al voltant d'un mes, arribant al fons marí i que canvià per complet les propietats oceanogrà ques promig de la zona en tota la columna d'aigua. En el tercer capítol s'estudien les dades provinents de cada una de les trampes de sediments presents als fondejos i es relacionen els uxes totals de massa recollits amb els possibles mecanismes generadors. Finalment, s'elabora un estudi sobre la relació de la hidrodinàmica i les captures de gamba vermella (Aristeus antennatus). En ell es dedueix que els individus adults de gamba vermella es veurien afectats per la terbolesa de fons generada pels fenòmens de mesoscala, i respondrien allunyant-se fora de la zona de pesca, probablement cap a profunditats majors. Com que els events més importants de mesoscala es donen a Sóller i principalment a l'hivern, això faria que la quantitat de gamba vermella grossa capturada durant aquesta època de l'any es ves reduïda a aquest calader. Els resultats d'aquesta tesi reforcen la teoria de que els recursos pesquers no sols es veuen afectats per la seva explotació o per les oscil lacions del propi ecosistema (factors biòtics) sinó que també es veuen in uenciats per la sitació oceanogrà ca canviant (factor abiòtic).

Les Tecnologies de la Informació i la Comunicació (TICs) es troben arreu i experimenten un creixement del 5% cada any amb aplicacions en diverses àrees que comprenen des de la telefonia mòbil al control mèdic de la salut. Les TICs són, en part, responsables de l'extraordinari increment en la quantitat d'informació intercanviada en tot el món contribuint considerablement al que es coneix com la petjada de CO2. Avui dia, es dediquen molts esforços en disminuir dràsticament la potència elèctrica necessària per a la computació d'un bit d'informació amb l'objectiu d'assolir el límit de Landauer que estableix el mínim d'energia requerida en 2.85 zJ: el límit físic per a la unitat d'informació. El ràpid desenvolupament de l'electrònica de baix consum i la seva miniaturització ha obert la porta a la possibilitat de dissenyar tecnologies portàtils i autoalimentades. A més a més, el desenvolupament d'aquest tipus de dispositius representa un punt clau de cara a evitar el recanvi o recàrrega de les bateries convencionals. La recol·lecció d'energia provinent de vibracions mecàniques representa una opció molt atractiva per a l'alimentació d'aquest tipus de dispositius en termes de disponibilitat i densitat de potència. L'objectiu de la present tesi és proporcionar una revisió de l'estat de l'art i trobar noves estratègies per incrementar el rendiment de les tecnologies de recol·lecció d'energia de les vibracions mecàniques. L'increment de la potència generada mitjançant la inducció d'un comportament biestable és estudiat a la micro i a la nanoescala, quan les vibracions presents en l'ambient venen caracteritzades pel seu extens ample de banda i la seva baixa intensitat, en comparació al rendiment proporcionat per les estratègies estàndards basades en l'ús de ressonadors.

La presente tesis doctoral versa sobre el transporte de calor llevado a cabo por los fonones en sólidos cristalinos semiconductores. La motivación de este trabajo es doble. En primer lugar, se pretende contribuir a entender mejor cómo funciona el transporte de calor a distintas escalas de tamaño: desde semiconductores con tamaño bulk (del orden de milímetros o mayores) hasta semiconductores nano-estructurados, como por ejemplo nanocables o láminas finas, cuyos tamaños característicos están en la escala nanométrica. La intención es describir dicho transporte de calor en estas escalas en un amplio rango de temperaturas, prestando especial atención a las colisiones entre fonones, pues son la causa intrínseca de la propagación del calor en los sólidos cristalinos semiconductores. En segundo lugar, se pretende mejorar la capacidad de predicción a la hora de describir el comportamiento de la conductividad térmica de los semiconductores más comunes por su implicación en procesos termoeléctricos, como son el silicio, el diamante, el germanio y el bismuto de telurio. Para lograr alcanzar estos objetivos, es necesario formular un nuevo modelo que nos permita superar las dificultades asociadas a los modelos ya existentes, con el objetivo de cumplir dos condiciones muy deseables. Por un lado, obtener una expresión general para la conductividad térmica válida para diferentes materiales, que pueda ser aplicada a muestras de dichos materiales con diferentes composiciones isotópicas, diferentes tamaños (desde la macro hasta la nano-escala) y con diferentes geometrías. Por otro lado, dicha expresión deberá tener el menor número posible de parámetros ajustables para asegurar la fiabilidad del modelo. La potencialidad de dicho modelo radicaría en servir como herramienta a la hora de guiar el diseño de dispositivos termoeléctricos más eficientes. La presente tesis se organiza en 8 capítulos ordenados de la siguiente manera: En el capítulo 1 se contextualiza el tema en el que está enmarcado el presente trabajo de investigación y se presentan los conceptos físicos necesarios para trabajar con el transporte fonónico. En el segundo capítulo se desarrolla la dinámica de la red para los distintos materiales que serán objeto de estudio en el presente trabajo, en particular se aplica el modelo Bond-charge para obtener las relaciones de dispersión y la densidad de estados de los semiconductores del grupo IV (silicio, germanio, diamante y estaño gris) y análogamente se aplica el modelo Rigid-ion sobre el bismuto de telurio para obtener sus relaciones de dispersión y densidad de estados. Los tiempos de relajación apropiados para dichos materiales se discutirán en detalle en el capítulo 3, proponiendo nuevas expresiones empíricas para describir las interacciones fonón-fonón. En el capítulo 4 se introducen y discuten los modelos de conductividad térmica más representativos de la literatura y a continuación se presenta un nuevo modelo para predecir la conductividad térmica: el modelo Kinetic-collective, cuya principal característica consiste en interpretar el transporte de calor en dos regímenes diferentes, el primero de ellos de tipo cinético donde los fonones son tratados como partículas libres y el segundo de tipo colectivo donde todos los fonones que participan en el transporte pierden su individualidad y se comportan como una colectividad de partículas. En el capítulo 5 el modelo Kinetic-collective se aplica a silicio bulk con diferentes composiciones isotópicas, y a varias muestras de silicio nanoestructuradas con diferentes geometrías y tamaños efectivos. Se obtienen predicciones de la conductividad térmica en un amplio intervalo de temperaturas que concuerdan satisfactoriamente con las medidas experimentales y se discuten diversos aspectos novedosos sobre el transporte fonónico. En el capítulo 6 el modelo Kinetic-collective se aplica al resto de materiales componentes del grupo IV de semiconductores y se obtiene una relación teórica que nos permite predecir los valores de los parámetros libres asociados a los tiempos de relajación de dichos materiales y así poder predecir sus conductividades térmicas sin la necesidad de añadir nuevos parámetros. En el capítulo 7 vamos un paso más allá y aplicamos el modelo a bismuto de telurio, obteniendo predicciones de la conductividad térmica para nanocables con diferentes diámetros y discutimos los resultados en vista a posibles aplicaciones termoeléctricas. Finalmente, el capítulo 8 está dedicado a recoger las principales conclusiones de este trabajo de investigación y a indicar posibles líneas futuras de trabajo surgidas a consecuencia de los resultados obtenidos. / The aim of this theoretical work is twofold. First, to contribute to a better understand- ing of phonon heat transport in bulk and nanostructured semiconductors, like thin-films or nanowires, in a wide range of temperatures, paying special attention to phonon-phonon col- lisions. Second, to improve the prediction capability of the thermal conductivity of the most common semiconductors. To achieve this, it becomes necessary the formulation of a new model allowing us to overcome the diculties associated to the existing models, with the aim to fulfill two desirable conditions: to provide a general expression for the thermal conduc- tivity, valid for several materials with di↵erent size-scales and geometries in a wide range of temperatures, and to have the smallest number of free adjustable parameters to assure the reliability of the model. The potentiality of such model would be to serve as a useful tool to design more ecient thermoelectric devices. The fruit of our study is the Kinetic-collective model which is developed in the framework of the Boltzmann transport equation as a natural generalization of the Guyer-Krumhansl model. Since phonon interactions are the source of thermal resistance, they deserve a special discussion in any thermal conductivity study. Precisely, the keystone in our work is the treatment of phonon-phonon collisions regarding their di↵erent nature. The prediction capability of the model need to be tested on several materials. In particular, we study five materials with thermoelectric interest. In first place, silicon, because it is an ideal test material due to the considerable amount of experimental data available in the literature, and because of its inherent scientific and technological importance. Secondly, we extend our study to other materials with the same lattice structure as silicon, that is the family of group IV element semiconductors (germanium, diamond, silicon and gray-tin), which also have been object of intense study, specially germanium, due to the recent and fast development of SiGe alloys and superlattices. Finally, we finish our study with a more complicated material regarding its lattice structure, bismuth telluride, which is known to be a very ecient thermoelectric material due to its high figure of merit. The Thesis is arranged in eight Chapters. The lay out is as follows: Chapter 1 con- textualizes the topic of the work and briefly introduces the basic physics related to phonon transport. In Chapter 2 the fundamental quantity necessary for considering any thermal property, the phonon dispersion relations, have been obtained for the materials under study. For this purpose, two lattice dynamics models are used: the Bond-charge model for group-IV semiconductors (silicon, germanium, diamond and gray-tin), and the Rigid-ion model for bismuth telluride (Bi2Te3). Along with their corresponding phonon dispersion relations, phonon density of states and specific heat results are also presented. The phonon relaxation times that suit these materials are discussed in Chapter 3, where new expressions to account for the phonon-phonon collisions are also presented. In the first part of Chapter 4 the most represen- tative thermal conductivity models to date are introduced and discussed, in the second part, a new model to predict the thermal conductivity, the Kinetic-collective model, is presented and its conceptual di↵erences and advantages with respect to previous similar models are discussed. In Chapter 5 the Kinetic-collective model is applied to silicon bulk samples with di↵erent isotopic composition and several nanostructured samples with di↵erent geometries (thin-films and nanowires) obtaining predictions for their thermal conductivity in a wide in- terval of temperatures. Some novel aspects of phonon transport arising from these results are discussed. In Chapter 6 the Kinetic-collective model is applied to the other group-IV materials using theoretical expressions to predict their relaxation times and, eventually, their thermal conductivity. Results for several samples with di↵erent isotopic compositions in a wide range of temperature are presented and discussed. In Chapter 7 the Kinetic-collective model is applied to Bi2Te3, providing thermal conductivity predictions for nanowires with several diameter values, and the results are discussed in view of possible applications in ther- moelectricity. Finally, in Chapter 8 the main conclusions of this Thesis are summarized and possible future lines of work stemming from its several results are discussed.

En la actualidad, la selección natural es considerada por la ciencia como el principal mecanismo evolutivo por el que la vida se transforma. Ésta fue formulada asumiendo poblaciones que saturan el medio que habitan. Bajo esta condición, aquellos que mejor explotan los recursos limitados disponibles evolucionan frente a los que no logran dicho cometido. De esta manera, la vida evoluciona hacia la tragedia de los comunes donde los individuos deben luchar entre sí por su vida, o morir desplazados por aquellos capacitados para hacerlo. Sin embargo, la cooperación es ubicua en la vida conocida, desde células hasta sociedades como la humana. Entonces, ¿cómo puede la cooperación evolucionar por selección natural? Este interrogante que está presente desde los tiempos de Darwin, es en la actualidad una de las preguntas centrales de la biología evolutiva. En este largo camino han sido formuladas diversas posibles respuestas que en conjunto permiten explicar gran parte de la cooperación que observamos. Sin embargo, estas propuestas desestiman la posibilidad de que la vida evolucione introduciendo elementos previamente inexistentes e impredecibles a partir de la información disponible. Cuando este elemento es considerado, la cooperación alcanzada por las formulaciones tradicionales evoluciona hacia la extinción. Por lo tanto, las teorías tradicionales sólo permiten explicar la evolución temporal de la cooperación. Tomando esto como motivación presentamos nuestra interpretación de la cooperación en la naturaleza, que construida a partir de conocimiento tradicional soluciona la histórica problemática. En particular, desde nuestra perspectiva el conjunto de individuos que coopera es la primera aproximación de un organismo vivo más complejo que sus partes. De esta manera, el problema de la cooperación es una evidencia del inevitable destino que todo ser vivo experimenta, la muerte. Por lo tanto, para que la cooperación evolucione más allá de este inevitable evento es necesario que el sistema se reproduzca y, por lo tanto, la reproducción del organismo es solución al problema de la cooperación. Posteriormente, buscamos comprender la evolución de la sociedad humana mediante elementos generales de nuestra especie. Para esto presentamos un modelo que permite considerar el crecimiento del sistema simultáneamente a la evolución del comportamiento de los individuos (estrategia) en poblaciones estructuradas. Este modelo es motivado por el hecho de que toda sociedad humana ha sido formada por un proceso de crecimiento en lugar de haberse desarrollado espontáneamente, tal y como se considera habitualmente en la literatura. Mediante esta modelización y considerando diferentes elementos generales, mostramos condiciones cercanas a las mínimas teóricas, a partir de las cuales evolucionan sistemas altamente cooperativos de cualquier tamaño y topología. Este resultado es robusto a toda forma de actualización de estrategia e interacción considerada. Sin embargo, el sistema cooperativo encuentra dificultades para superar cambios espontáneos de estrategia. Teniendo esto en cuenta presentamos una regla que llamamos “actualización democrática ponderada” donde el comportamiento de los individuos es socialmente influenciado por el propio de aquellos con los que interactúan, de manera que la influencia social de los individuos aumenta con su éxito. Mediante esta regla mostramos que un sistema cooperativo estructurado supera los cambios espontáneos de estrategia bajo condiciones cercanas a las mínimas posibles, incluso cuando estos cambios son frecuentes. Dada la robustez y generalidad de nuestra formulación, proponemos nuestra teoría como explicación del origen evolutivo de la sociedad humana así como también de estadios posteriores. Evidentemente, nuestra sociedad presenta un grado de complejidad profundamente superior a la que nuestra modelización ha alcanzado. Sin embargo, considerando la gran simplicidad de nuestra modelización, la consideramos como un primer paso hacia la construcción de un modelo físico-biológico satisfactorio de la sociedad humana contemporánea. / Nowadays, natural selection is considered by science as the main evolutionary mechanism by which life changes in time. This mechanism was formulated by assuming that population’s size is bounded by the limited resources of the environment. Under this condition, only evolve those individuals that exploit the limited resources in the best way. Hence, life evolves to the tragedy of the commons where individuals must fight each other, or die displaced by those prepared to do it. However, the cooperation is ubiquitous in nature, from cells to societies such as the human one. Then, how does cooperation evolve by natural selection? This question is present from Darwin’s theory, and it is currently one of the central questions of evolutionary biology. In this long tradition several possible answers have been proposed and are able to explain a great part of the cooperation observed in nature. However, these theories dismiss the possibility that life evolves introducing new and unpredictable elements from the available information. When this element is considered, the cooperation reached by traditional theories goes to extinction. Therefore, the traditional formulations just can explain the temporal evolution of cooperation. Taking this as a motivation, we introduce a new interpretation for cooperation in nature, which built it from traditional knowledge solves the historical cooperation problem. In particular, from our perspective a highly cooperative set of individuals is the first approximation of a living organism more complex than its parts. In this way, the cooperation problem is evidence of the inevitable fate that all life experiences, i.e. the death. Therefore, in order for cooperation to evolve, beyond this inevitably event, is required the reproduction of the system and, in consequence the reproduction becomes a solution to the problem of cooperation. Subsequently, we try to understand the evolution of the human society by considering general elements of our specie. To this end, we present a model that allows considering the growth of the system simultaneously that the behavior of individuals (strategy) evolves on structured populations. The model is motivated in the fact that human societies have emerged as a result of a growth process rather than spontaneous development, as is usually considered in literature. From this model and considering other general elements, we show conditions close to the theoretical minimum, from which highly cooperative systems of any size and topology may evolve. This result is robust under any strategy update and interaction considered. However, the cooperative system finds difficulties to overcome spontaneous changes of strategy. Taking this into account we present a new rule that we call “democratic weighted update” where the behavior of the individuals is socially influenced by those which interact with, in such a way that the social influence of individuals increase with their success. By considering this rule we show that a structured cooperative system overcomes the emergence of spontaneous changes of strategy, even when these changes are frequent. Given the robustness and generality of our formulation, we propose our theory as a possible explanation of the evolutionary origin of human society as well as for later stages. Obviously, our society presents much higher complexity than the one reached by our model. However, since our model is very simple, we consider it as a good first step towards building a successful biophysical model of the actual human society.

Aquesta tesi tracta l’estudi de xarxes quàntiques amb una estructura complexa, les implicacions que aquesta estructura té en la distribució d’entrellaçament i com el seu funcionament pot ser millorat mitjançant operacions en el règim quàntic. Primer considerem xarxes complexes d’estats bipartits, tant purs com mescla, i estudiem la distribució d’entrellaçament a llargues distàncies. Després passem a analitzar xarxes de canals sorollosos i estudiem la creació i distribució de grans estats multipartits. El treball contingut en aquesta tesi està motivat principalment per la idea que la interacció entre la informació quàntica i les xarxes complexes pot donar lloc a una nova comprensió i caracterització dels sistemes naturals. Les xarxes complexes tenen una importància particular en les infraestructures de comunicació, ja que la majoria de xarxes de telecomunicació tenen una estructura complexa. En el cas de xarxes quàntiques, que són el marc necessari per al processament distribuït d’informació i comunicació quàntica, és ben possible que en el futur adquireixin una topologia complexa semblant a la de les xarxes existents, o que fins i tot es desenvolupin mètodes per a utilitzar les infraestructures actuals en el règim quàntic. Una tasca central en les xarxes quàntiques és dissenyar estratègies per distribuir entrellaçament entre els seus nodes. En la primera part d’aquesta tesi, considerem la distribució d’entrellaçament bipartit com un procés de percolació d’entrellaçament en una xarxa complexa. Des d’aquest enfocament, s’estableix entrellaçament perfecte de manera probabilística entre dos nodes arbitraris. Veiem que, per a xarxes grans, la probabilitat d’aconseguir-ho és una constant estrictament major que zero (i independent de la mida de la xarxa) si la quantitat inicial d’entrellaçament està per sobre d’un cert valor crític. La mecànica quàntica ofereix aquí la possibilitat de canviar l’estructura de la xarxa sense necessitat d’establir nous canals “físics”. Mitjançant una transformació local adequada de la xarxa, es pot disminuir l’entrellaçament crític i augmentar la probabilitat. Apliquem aquesta transformació a models de xarxes complexes amb una distribució de graus arbitrària. En el cas de xarxes sorolloses d’estats mescla, veiem que per algunes classes d’estat es pot utilitzar el mateix enfocament de percolació d’entrellaçament. Per a estats mescla generals considerem una percolació de llargada de camí limitada per la quantitat de soroll de les connexions. Veiem com les xarxes complexes ofereixen encara un gran avantatge en la probabilitat de connectar dos nodes. En la segona part, passem a l’escenari multipartit. Estudiem la creació i distribució d’estats graf amb una estructura que imita la de la xarxa de comuicació subjacent. En aquest cas, utilitzem una xarxa complexa arbitrària amb canals sorollosos, i considerem que les operacions i mesures són també sorolloses. Proposem un mètode eficient per a distribuir i purificar petits subgrafs, que després es fusionen per a reproduir l’estat desitjat. Comparem aquest enfocament amb dos protocols bipartits basats en un node central i coneixement complet de l’estructura de la xarxa. Mostrem que la fidelitat dels estats graf generats es pot escriure com la funció de partició d’un sistema desordenat de spins clàssics (un vidre de spins), i la seva taxa de decaïment és l’anàleg de l’energia lliure. Utilitzant els tres protocols en una xarxa unidimensional i en xarxes complexes veiem que són tots comparables, i que en alguns casos el protocol de subgrafs proposat, que necessita només informació local de la xarxa, té inclús un comportament millor. / This thesis deals with the study of quantum networks with a complex structure, the implications this structure has in the distribution of entanglement and how their functioning can be enhanced by operating in the quantum regime. We first consider a complex network of bipartite states, both pure and mixed, and study the distribution of long-distance entanglement. Then, we move to a network with noisy channels and study the creation and distribution of large, multipartite states. The work contained in this thesis is primarily motivated by the idea that the interplay between quantum information and complex networks may give rise to a new understanding and characterization of natural systems. Complex networks are of particular importance in communication infrastructures, as most present telecommunication networks have a complex structure. In the case of quantum networks, which are the necessary framework for distributed quantum processing and for quantum communication, it is very plausible that in the future they acquire a complex topology resembling that of existing networks, or even that methods will be developed to use current infrastructures in the quantum regime. A central task in quantum networks is to devise strategies to distribute entanglement among its nodes. In the first part of this thesis, we consider the distribution of bipartite entanglement as an entanglement percolation process in a complex network. Within this approach, perfect entanglement is established probabilistically between two arbitrary nodes. We see that for large networks, the probability of doing so is a constant strictly greater than zero (and independent of the size of the network) if the initial amount of entanglement is above a certain critical value. Quantum mechanics offer here the possibility to change the structure of the network without need to establish new, "physical" channels. By a proper local transformation of the network, the critical entanglement can be decreased and the probability increased. We apply this transformation to complex network models with arbitrary degree distribution. In the case of a noisy network of mixed states, we see that for some classes of states, the same approach of entanglement percolation can be used. For general mixed states, we consider a limited-path-length entanglement percolation constrained by the amount of noise in the connections. We see how complex networks still offer a great advantage in the probability of connecting two nodes. In the second part, we move to the multipartite scenario. We study the creation and distribution of graph states with a structure that mimic the underlying communication network. In this case, we use an arbitrary complex network of noisy channels, and consider that operations and measurements are also noisy. We propose an efficient scheme to distribute and purify small subgraphs, which are then merged to reproduce the desired state. We compare this approach with two bipartite protocols that rely on a central station and full knowledge of the network structure. We show that the fidelity of the generated graphs can be written as the partition function of a classical disordered spin system (a spin glass), and its decay rate is the analog of the free energy. Applying the three protocols to a one-dimensional network and to complex networks, we see that they are all comparable, and in some cases the proposed subgraph protocol, which needs only local information of the network, performs even better.

The thesis here presented is inspired on functionalized materials (magnetic sensitive stimuli materials (M-SSM) as well as the actuation principles (magnetic and photo-thermic) and material with tuneable magnetic and opto-thermal properties and on the fabrication techniques such as soft- , photolithography and inkjet printing techniques implemented in micro-opto-electro-mechanical systems (MOEMS). This thesis is focused on the development of MOEMS based on new polymeric functionalized materials. Concretely, PDMS cantilevers acting as VOA are achieved by obtaining M-SSMs based on PDMS and ferrofluid (FF). Additionally, light-sensitive materials based on SU-8 and color dyes are characterized and implemented in an all-polymer light actuated VOAs. Each of these systems is obtained with the most suitable technology, such as soft lithography, ink jet printing or UV-lithography and detailed information is presented throughout this work.

Medicanes are a rare and physically unique type of Mediterranean cyclone. They show similarities with tropical cyclones with regard to their development (based on the thermodynamical disequilibrium between the warm sea and the overlying troposphere) and the kinematic and thermodynamical properties (medicanes are intense vortices with a warm core and even a cloud-free-eye). Although medicanes are smaller and the characteristic wind speeds are lower, the severity of the winds can cause substantial damage on islands and coastal areas. The special characteristics of medicanes make their detection di cult: only with high resolution meteorological analyses and dense maritime observations that task would be possible. For this reason, an alternative method using satellite images and restricted criteria about the disturbance symmetry, size and lifespan, has been applied leading to the detection of 12 medicanes from 1982 to 2003. To improve the medicane forecast capability or even to assess the potential risk of these storms in future climates, it is necessary to characterize the special conditions of the synoptic-scale meteorological environments that are needed for their development and maintenance. By comparing these environments against the bulk of intense Mediterranean cyclonic situations, high values of mid-tropospheric relative humidity, signi cant diabatic contribution to the surface level equivalent potential temperature tendency, and low values of tropospheric wind shear, are revealed as important parameters involved in medicane genesis, as in tropical cyclones. An empirical genesis index previously derived for the tropical regions is also tested in this thesis, and it is revealed as a possible discriminative parameter of the precursor environments. Despite their small size, mesoscale runs of medicane situations at moderate horizontal resolutions (7.5 km) made with MM5 are able to simulate the formation of a subsynoptic cyclone and the general trajectory of the disturbance, and for most of the cases a warm-core axi-symmetrical structure becomes evident in the simulations. In addition, a sensitivity analysis examining the role of the sea surface heat uxes is conducted: latent and sensible heat uxes from the Mediterranean are switched o during the simulations to explore the e ects of these factors on the medicane trajectories and deepening rate. Results show di erent roles of the surface heat uxes on medicane properties (intensi cation and track) depending on their magnitude and spatial distribution over the Mediterranean Sea. In this way, three distinct evolution patterns have been identi ed using the database of twelve events. In the context of the growing concern about how climate change will a ect the number and intensity of hurricanes, two di erent analysis for medicanes have been conducted in this thesis: an oriented dynamical downscaling and a direct detection of storms in a high-resolution global climate model. On one hand, the oriented dynamical downscaling consists in projecting the previous empirical genesis index into four di erent global climate models, with spatial resolutions about 200 km, and analyze (simulate) just the areas with elevated medicane risk values. On the other hand, an independent study using a direct detection and tracking of warm-core cyclones is applied to a high resolution global climate model (spatial resolution about 25 km). Both methods predict a decreasing trend in medicane occurrence, and indicate the south-east of Italy and the Gulf of Lion as the areas with higher probability of medicane development in future scenarios. With regard to future changes in medicane intensity, there seems to be signs of an enhanced risk of violent storms. / Els medicanes són un tipus de cicló poc freqüent, i amb certes particularitats, que es dóna al Mediterrani. Els medicanes tenen similituds amb els ciclons tropicals referents al seu desenvolupament (basat en el desequilibri termodinàmic entre mar-atmosfera) i les propietats cinemàtiques i termodinàmiques (els medicanes són vòrtexs intensos amb nucli càlid i, algunes vegades, ns i tot poden tenir un ull lliure de núvols). Malgrat els medicanes són més petits i els seus vents associats són més febles que als ciclons tropicals, la força dels seus vents poden causar importants danys a illes i zones costeres. Les característiques especials dels medicanes fan que la seva detecció sia difícil: sols disposant de dades d'anàlisi meteorològiques a molta alta resolució i una xarxa densa d'observacions marítimes, aquesta tasca es podria dur a terme. Per aquest motiu, en aquesta tesi s'ha utilitzat un mètode alternatiu utilitzant imatges de satèl ·lit i aplicant criteris restrictius basats en la simetria de la pertorbació, la mida i la durada. D'aquesta manera s'han detectat 12 medicanes durant el període comprès des de 1982 a 2003. Una bona caracterització dels ambients meteorològics precursors dels medicanes ens pot ajudar a entendre els mecanismes de gènesi i millorar les prediccions. En aquesta tesi es comparen els valors de diverses variables meteorològiques d'interès en els medicanes amb els ambients d'altres ciclons intensos sobre la Mediterrània. En aquest sentit, valors elevats de la humitat relativa a nivells mitjos, la contribució diabàtica a la tendència local de temperatura potencial equivalent super cial, i valors baixos de la cisalla de vent entre nivells baixos i alts, pareixen paràmetres importants relacionats amb la gènesi dels medicanes, com també ho són dels ciclons tropicals. Un índex empíric de gènesi, provinent d'estudis sobre les regions tropicals, també ha estat avaluat en aquesta tesi i es presenta com un possible paràmetre discriminant dels ambients precursors. Malgrat la mida petita dels medicanes, s'ha comprovat que simulacions amb l'MM5 amb resolucions espacials de 7.5 km poden representar la formació de ciclons subsinòptics i les seves trajectòries, i per a la majoria dels casos també l'estructura simètrica amb nucli càlid. A més, s'ha realitzat una anàlisi de sensitivitat examinant el paper dels uxos de calor en la superfície de la mar: s'han desactivat l'intercanvi de calor latent i sensible sobre la Mediterrània durant les simulacions per estudiar els efectes d'aquests factors sobre les trajectòries i la intensi cació dels medicanes. Els resultats mostren tres patrons de comportament diferents sobre aquestes propietats dels medicanes identi cats prèviament, depenent de la magnitud i la distribució espacial dels uxos. En relació a la creixent preocupació sobre com afectarà el canvi climàtic a la freqüència i intensitat dels huracans, s'han realitzat dues anàlisis independents referent als medicanes: regionalitzacions dinàmiques de manera dirigida, i detecció directa sobre un model climàtic global a alta resolució. Per una part, les regionalitzacions dinàmiques consisteixen en determinar les zones d'alt risc mitjançant l'índex empíric descrit anteriorment i simular sols aquests ambients amb un model de mesoscala (aquest es força amb quatre models climàtics globals de resolucions espacials de l'ordre de 200 km). Per altra part, la detecció directa es realitza sobre un model climàtic global a una resolució aproximada de 25 km. En ambdós casos, els resultats mostren una reducció en la freqüència dels medicanes i assenyalen el sud-est d'Itàlia i el golf de Lleó com les zones amb major probabilitat de desenvolupament de medicanes en escenaris de clima futur. Referent als canvis d'intensitat en el futur, pareix que hi ha indicis d'augment del risc de tempestes violentes.

La present tesi doctoral versa sobre la resolucio numèrica de les equacions d'Einstein de la Teoria de la Relativitat. Es presenta: una nova familia de mètodes computacionals amb variació total acotada i d'implementació eficient que permet resoldre equacions diferencials amb derivades parcials de tipus hiperbòlic; un codi que implementa aquests mètodes juntament amb el formalisme Z4 per a aconseguir resoldre per primera vegada un colapse gravitacional en 3 dimensions simulant l'interior del forat negre amb un camp escalar i fent us de coordenades normals sense que l'eleccio de coordenades normals sigui tanmateix un requisit per al funcionament del codi; unes condicions de contorn que preserven les lligadures d'energia i moment provades fins i tot en situacions de camp fort i en 3 dimensions; una formulació lagrangiana dels formalismes de les equacions d'Einstein que s'empren habitualment dins el camp de la Relativitat Numèrica i una formulació conforme de les equacions Z4 que permet la simulacio del col·lapse gravitacional amb unes dades inicials de tipus punxada (de l'anglès puncture).

Els sistemes complexes són sistemes que estan formats per un gran nombre d'unitats individuals, les quals interactuen entre elles, generalment de manera no-lineal, donant lloc a xarxes complexes d'interaccions. Sistemes biològics, socials i econòmics, entre d'altres, són sovint sistemes d'aquest tipus, el caràcter complex dels quals és mereixedor d'estudi. En els últims anys, un gran nombre de publicacions científiques han recolzat la conveniència d'analitzar aquest tipus de sistemes a través d'un conjunt d'eines i mètodes especialment dissenyats per la descripció de sistemes complexes. L'objectiu d'aquesta tesi és estudiar les xarxes complexes, i en particular, les xarxes multiplex. Estudiarem la caracterització topològica de les xarxes fent servir eines d'anàlisi de comunitats, posant especial èmfasi en els mètodes de multi-resolució, que són capaços d'informar-nos de tota la mesoescala. També ens ocuparem de caracteritzar processos dinàmics en xarxes multiplex, en el cas especial on dos processos epidèmics competeixen l'un contra l'altre sobre la mateixa estructura. Finalment, demostrarem l'aplicabilitat de les eines de xarxes complexes en un treball experimental dedicat a caracteritzar l'estructure funcional de cultius de neurones clusteritzades.