En este trabajo hemos investigado distintas posibilidades para aprovechar las tensiones almacenadas en los materiales nanoestructurados para obtener estructuras 3D auto-organizadas. En particular hemos estudiado el crecimiento epitaxial de puntos cuánticos auto-organizados de Ge sobre Si depositando una submonocapa de carbono antes del crecimiento de las islas de Ge. Empleando la microscopía de fuerza atómica combinada con difracción RHEED y técnicas ópticas como la dispersión Raman y la elipsometría, hemos llevado a cabo un estudio sistemático de la influencia de la interdifusión de Si y de la composición de la capa de mojado en la densidad y la morfología de las islas. Los resultados aportan evidencia experimental de un mecanismo de crecimiento cinéticamente limitado donde la movilidad de los adátomos de Ge se ve afectada por la interacción química entre C, Si, y Ge. Como resultado, presentamos un protocolo de crecimiento en dos etapas para manipular la topografía de las islas (densidad, forma y tamaño), útil para posibles aplicaciones en optoelectrónica. Hemos investigado el fenómeno de relajación de las tensiones elásticas cuando recubrimos las islas, un proceso necesario para la ingeniería de dispositivos que constan de multicapas de puntos cuánticos. También hemos analizado la evolución de nanoestructuras de Ge preparadas combinando el uso de nanoplantillas (nanostencils) con la técnica PLD, una estrategia que tiene mucho potencial para producir patrones de nanoestructuras semiconductoras para optoelectrónica. Además del crecimiento de islas 3D, hemos aplicado la ingeniería de capas tensadas para fabricar microtubos que se enrollan espontáneamente a partir de heteroestructuras tensadas de semiconductor. Mediante la espectroscopía Raman con resolución microscópica hemos conseguido medir las tensiones residuales, que se manifiestan en un cambio de la frecuencia de los fonones, comparando la señal colectada en la pared del tubo con el valor de referencia del material sin tensiones. Hemos desarrollado un modelo elástico para describir dicho cambio de frecuencia, lo que nos permite caracterizar la distribución de tensiones en el microtubo. Los resultados demuestran que la espectroscopía Raman es una potente técnica de diagnóstico del estado de tensión en dispositivos tipo MEMS. Hemos aplicado la tecnología de fabricación de microtubos enrollados para obtener un sensor bioquímico “lab-in-a-tube” óptico, donde se emplea la luz como sonda. Hemos fabricado microtubos de Si/SiOx integrados en un chip de Silicio y hemos evaluado sus propiedades como sensor refractométrico. Introduciendo una solución azucarada en el microtubo, se produce un cambio en el índice de refracción, que se manifiesta en un desplazamiento de las frecuencias de los modos ópticos de “whispering gallery”. Este prototipo demuestra que la integración de microtubos enrollados es un proceso de fabricación con mucho potencial para diseñar canales optofluídicos en dispositivos “lab-on-a-chip”. / In this work we explored different pathways to exploit the strain stored into nanoscale layers of materials as a driving force to self-assemble 3D structures. In particular, we have studied the epitaxial growth of self-assembled Ge quantum dots when a submonolayer of carbon is deposited prior to the growth of the dots. Using atomic-force microscopy combined with RHEED and optical techniques like Raman scattering and ellipsometry, we performed a systematic study of the role played by thermally activated Si interdiffusion and the composition of the wetting layer on dot density and morphology. The results give experimental evidence of a kinetically limited growth mechanism in which Ge adatom mobility is determined by chemical interactions among C, Si, and Ge. We suggest a two-stage growth procedure for fine-tuning the dot topography (density, shape and size), useful for possible optoelectronic applications. Moreover we investigated the dynamics of strain relaxation during the capping of islands, which is useful for engineering devices based on multistacks of quantum dots. We also analysed the evolution of Ge nanostructures grown by combining nanostenciling and pulsed laser deposition, as a promising approach for the parallel patterning of semiconductor nanostructures for optoelectronics. Apart from the growth of 3D islands, we applied strain-driven engineering to release rolled-up microtubes, obtained from strained semiconductor heterostructures. Through micro-Raman spectroscopy we were able to determine the residual strain, which results in a frequency shift of phonon modes measured on the tube as compared with reference unstrained material. We developed a simple elastic model to describe the measured phonon-frequency shifts, from which we estimate the strain status of the microtube. Results demonstrate the power of Raman spectroscopy as a diagnostic tool for engineering of strain-driven self-positioning microelectromechanical systems. We tested the potential application of this rolled-up nanotechnology to obtain a lab-in-a-tube device where light is used as a biochemical sensor. We fabricated rolled up microtubes consisting of Si/SiOx integrated on a Si chip and we analysed their properties to use them as a refractometric sensor. An aqueous sugar solution was inserted into the microtube, which leads to a change in refractive index and, as a result, to a detectable spectral shift of the whispering gallery modes. This prototype proved that the monolithic on-chip integration of strain-engineered microtubes is a promising approach to design optofluidic channels for lab-on-a-chip applications.

Aquesta tesi tracta el desenvolupament de detectors de silici de tecnologia avançada per experiments de Física d'Altes Energies (HEP en anglès). La mida dels detectors de silici per determinar traces en experiments de HEP ha de disminuïr per millorar la resolució espacial en les mesures i millorar l'ocupancia en l'electrònica. Els experiments al CERN hauran de funcionar amb fluencies de fins a 2·10 16 n eq 1cm2 , i els detectors de silici més petits tindran menys atrapament de les parelles electró-forat generats al volum, que porta a un millor comportament sota un medi amb alts nivells de radiació. Aquesta tesi estudia detectors de silici fabricats al CNM-Barcelona per aplicacions de HEP amb dos tipus d'arquitectura nou: 3D i detectors d'allau amb guany moderat (LGAD en anglès). Els detectors 3D afavoreixen la reducció de la mida de la regió buidada dins del detector i permet treballar a voltatges més baixos, mentres que els detectors LGAD tenen guany intern que incrementa la senyal col·leccionada amb un mecanisme de multiplicació. El capítol 1 introdueix els detectors de silici aplicats a HEP. Els capítols 2 i 3 exploren els dissenys de detectors 3D de silici fabricats al CNM-Barcelona. Els detectors 3D de silici van ser introduïts per primera vegada a un experiment de HEP durant el 2013 per una nova capa del experiment ATLAS, la Insertable B-Layer (IBL), i alguns d'aquests detectors han sigut caracteritzats durant aquest treball. Actualment, detectors 3D de silici amb dimensions de píxel més petites seran operatius per noves posades a punt de l'ATLAS, i aquests detectors s'han simulat en aquest treball. El capítol 4 està dedicat a detectors LGAD segmentats i fabricats en oblies epitaxials amb la intenció de disminuïr el gruix dels detectors i augmentar la càrrega col·leccionada amb el mecanisme de multiplicació. Aquesta tesi mostra simulacions tecnològiques, el procés de fabricació, simulació elèctrica i caracterització elèctrica i de càrrega d'aquests detectors. / This thesis presents the development of advanced silicon technology detectors fabricated at CNM-Barcelona for High Energy Physics (HEP) experiments. The pixel size of the tracking silicon detectors for the upgrade of the HL-LHC will have to decrease in size in order to enhance the resolution in position for the measurements and they need to have better occupancy for the electronics. The future experiments at CERN will cope with fluences up to 2·10 16 n eq 1cm2 , and the smaller 3D silicon detectors will have less trapping of the electron-holes generated in the bulk leading to a better performance under high radiation environment. This thesis studies silicon detectors fabricated at CNM-Barcelona applied to HEP experiments with two different kinds of novel projects: 3D and Low Gain Avalanche Detectors (LGAD). The 3D detectors make it possible to reduce the size of the depleted region inside the detector and to work at lower voltages, whereas the LGAD detectors have an intrinsic gain which increase the collected signal with a multiplication mechanism. Chapter 1 introduces the silicon detectors applied to HEP experiments. Chapters 2 and 3 explore the new designs for 3D silicon detectors fabricated at CNM-Barcelona. 3D silicon detectors were first introduced in a HEP experiment in 2013 for a new ATLAS layer, the Insertable B layer (IBL), and some of them are characterized in this work. Now, it is expected that 3D silicon detectors with smaller pixel size will be operative for the next ATLAS upgrade, and they are also simulated in this thesis. Chapter 4 is devoted to segmented LGAD detectors fabricated on epitaxial wafer with the intention to decrease the thickness of the detector and increase the charge collected with the multiplication mechanism. This thesis shows technological simulations, fabrication process, electrical simulations and electrical and charge characterization of those devices.

La Metrologia és el camp d’investigació sobre les eines estadístiques i el disseny tecnològic dels aparells de mesura necessaris per inferir informació precisa sobre paràmetres físics. En un sistema físic el soroll és inherent en última instància amb el de les seves parts, i per tant en un nivell microscòpic està governat per les lleis de la física quàntica. Les mesures quàntiques són intrínsecament sorolloses i per tant limiten la precisió amb la qual es pot obtenir en qualsevol escenari de metrologia. El camp de la metrologia quàntica està dedicat a l’estudi d’aquests límits i al desenvolupament de noves eines per ajudar a superar-los, sovint fent ús de les característiques exclusivament quàntiques com la superposició o l'entrellaçament.En el procés de disseny d’un protocol d’estimació és necessari utilitzar una figura de mèrit per optimitzar el rendiment d’aquests protocols. Fins ara la majoria de plantejaments de metrologia quàntica i els límits que en deriven han estat deterministes, és a dir, que estan optimitzats per tal de proporcionar una estimació vàlida per a cadascun dels possibles resultats de la mesura i minimitzar-ne l’error promig entre el valor estimat i el real del paràmetre. Aquesta avaluació dels protocols mitjançant el seu error promig és molt natural i convenient, però pot haver-hi algunes situacions en què això no sigui suficient per a expressar l’ús concret que se li donarà al valor obtingut.Un punt central d’aquesta tesi és observar que resultats concrets d’una mesura poden proporcionar una estimació amb una millor precisió que la mitjana. Perquè això succeeixi hi ha d’haver altres resultats imprecisos que compensin la mitjana perquè aquesta no violi els límits deterministes. En aquesta tesi hem escollit una figura de merit que reflecteix la màxima precisió que es pot obtenir. Optimitzem la precisió d’un subconjunt de resultats senyalats, i quantifiquem la probabilitat d’obtenir-ne algun d’ells, o en altres paraules, la probabilitat que el protocol proporcioni una estimació. Això pot ser entès com proposar una opció addicional que està sempre disponible per la mesura, a saber, la possibilitat de post-seleccionar els resultats i donar amb només certa probabilitat una resposta concloent. Aquests protocols probabilístics garanteixen una precisió mínima pels resultats senyalats. En la mecànica quàntica hi ha moltes maneres de poder llegir les dades d’un sistema quàntic. Per tant, l’optimització dels esquemes probabilístics no es pot reduir a la reinterpretació de resultats a partir dels esquemes (determinsitic) de metrologia quàntica canòniques, sinó que implica la recerca de mesures quàntiques completament diferents. Concretament, hem dissenyat protocols probabilístics per a l’estimació de fases, direccions i de sistemes de referència. Hem vist que la post-selecció té dos efectes possibles: compensar una mala elecció de l’estat inicial o contrarestar els efectes negatius del soroll presents en l’estat del sistema o en el procés de mesurament. En particular, trobem que afegir la possibilitat d’abstenció en l’estimació de fases en presència de soroll pot produir una millora en la precisió que supera la cota trobada per protocols deterministes. Trobem una cota que correspon a la millor precisió que es pot obtenir. / Metrology is the field of research on statistical tools and technological design of measurement devices to infer accurate information about physical parameters. The noise in a physical setup is ultimately related to that of its constituents, and at a microscopic level this is in turn dictated by the rules of quantum physics. Quantum measurements are inherently noisy and hence limit the precision that can be reached by any metrology scheme. The field of quantum metrology is devoted to the study of such limits and to the development of new tools that help to surmount them, often make use unique quantum features such as superposition or entanglement. In the process of designing an estimation protocol, the experimentalist uses a figure of merit to optimise the performance of such protocols. Up until now most quantum metrology schemes and known bounds have been deterministic, that is, they are optimized in order to provide a valid estimate for each possible measurement outcome and minimize the average error between the estimated and true value of the parameter. This benchmarking of a protocol by its average performance is very natural and convenient, but there can be some scenarios in which this is not enough to express the concrete use that will be given to the obtained value. A central point in this thesis is that particular measurement outcomes can provide an estimate with a better precision than the average one. Notice that for this to happen there must be other imprecise outcomes so that the average does not violate the deterministic bounds. In this thesis we choose a figure of merit that reflects the maximum precision one can obtain. We optimise the precision of a set of heralded outcomes, and quantify the chance of such outcomes to occur, or in other words the probability that the protocol fails to provide an estimate. This can be understood as putting forward an extra feature that is always available to the experimentalist, namely the possibility of post-selecting the outcomes of their measurements and giving with some probability an inconclusive answer. These probabilistic protocols guarantee a minimal precision upon a heralded outcome. In quantum mechanics there are many ways in which data can be read-off from a quantum system. Hence, the optimization of probabilistic schemes cannot be reduced to reinterpreting results from the canonical (determinsitic) quantum metrology schemes, but rather it entails the search of completly different quantum generalized measurements. Specifically, we design probabilistic protocols for phase, direction and reference frame estimation. We show that post-selection has two possible effects: to compensate a bad choice of probe state or to counterbal¬ance the negative effects of noise present in the state system or in the measurement process. In particular, we show that adding the possibility of abstaining in phase estimation in presence of noise can produce an enhancement in precision that overtake the ultimate bound of deterministic protocols. The bound derived is the best precision that can be obtained, and in this sense one can speak of ultimate bound in precision.

Esta tesis presenta la búsqueda de decaimientos del quark top, via corrientes neutras que cambian el sabor, a quarks tipo u (q = u; c) y a el bosón de Higgs del modelo estándar. El análisis busca eventos donde un quark top decae a Wb y el W decae en leptones, mientras que el otro quark top decae a Hq. El estudio se basa en colisiones protón-protón a una energía en el centro de masa de √ s = 8 TeV obtenidas en 2012 con el detector ATLAS del Large Hadron Collider del CERN, usando una muestra de 20.3 fb-1. Los datos corresponden a eventos con un electrón o muon aislado y al menos cuatro jets en el estado final. La búsqueda explota la alta multiplicidad de quarks b que caracterizan la señal, empleando un discriminante basado en la verosimilitud que utiliza las diferencias cinemáticas entre la señal y el fondo (el cual está dominado por eventos tt—›WbWb). No se observan eventos en exceso del fondo esperado. Los límites de un 95% de confianza para el proceso observado (esperado) son de 0.56% (0.42%) para t —›Hc y de 0.61% (0.64%) para t—›Hu. Los límites de esta búsqueda han sido combinados con las búsquedas en los canales con modos de decaimiento H—› y H—›WW*; tt , logrando mejorar significativamente la sensibilidad. Los límites de un 95% de confianza para la combinación observada (esperada) es de 0.46% (0.25%) para t—› Hc y 0.45% (0.29%) para t ! Hu respectivamente. Los límites correspondientes en el acoplamiento | tcH| y | tuH| son de 0.13 (0.10) y 0.13 (0.10) respectivamente. Estos son los límites directos más restringidos en la búsqueda de interacciones tqH hasta el momento. / In this dissertation a search for avour-changing neutral currents in the decay of a top quark to an up-type quark (q = u; c) and the Standard Model Higgs boson, where the Higgs boson decays to bb, is presented. The analysis searches for top quark pair events in which one top quark decays to Wb, with the W boson decaying leptonically, and the other top quark decays to Hq. The search is based on pp collisions at √s = 8 TeV recorded in 2012 with the ATLAS detector at the CERN Large Hadron Collider and uses an integrated luminosity of 20.3 fb-1. Data are analyzed in the lepton+jets final state, characterized by an isolated electron or muon with moderately high transverse momentum and at least four jets. The search exploits the high multiplicity of b jets characteristic of signal events, and employs a likelihood discriminant that uses the kinematic differences between the signal and the background, which is dominated by tt—›WbWb decays. No significant excess of events above the background expectation is found. The observed (expected) upper limits on the t—›Hc and t—›Hu branching ratios are 0.56% (0.42%) and 0.61% (0.64%) respectively, at the 95% confidence level. The combination of this search with other ATLAS searches in the H—› and H—›WW*,tt decay modes significantly improves the sensitivity yielding observed (expected) upper limits on the t—›Hc and t—›Hu branching ratios of 0.46% (0.25%) and 0.45% (0.29%) respectively, at the 95% confidence level. The corresponding combined ob- served (expected) upper limits on the | tcH| and | tuH| couplings are 0.13 (0.10) and 0.13 (0.10) respectively. These are the most restrictive direct bounds to date on tqH interactions measured so far.

El camp de la informació quàntica, que sorgeix de la combinació entre la teoria de la informació i la física quàntica, ha experimentat un enorme progrés durant les darreres dècades, donant lloc a avenços revolucionaris en una àmplia varietat de camps interdisciplinaris, com ara la computació quàntica, la comunicació quàntica, els mesuraments d'alta precisió, i l’estudi fonamental de la teoria quàntica. No obstant això, les ambicioses metes en què la comunitat científica esta centrada, per exemple, la criptografia quàntica, els simuladors quàntics, o fins i tot la computació quàntica, tot just han començat a destacar.En la majoria d'aplicacions de la informació quàntica, per tal d’emmagatzemar i processar la informació s'utilitzen normalment sistemes amb un gran nombre d’àtoms, mentre que la llum s'utilitza com una eina per a manipular i realitzar operacions lògiques, així com per transmetre els bits quàntics entre nodes distants d'una xarxa quàntica. Per tant, la realització d'una interfície adequada entre la llum i els conjunts d’àtoms és essencial en la ciència de la informació quàntica. Quant a la interacció llum-matèria, un dels sistemes més rellevants són els àtoms de tres nivells en interacció amb un parell de camps electromagnètics. Els sistemes de tres nivells mostren una rica varietat de fenòmens quàntics a causa de les interferències produïdes degut a les dues vies d'absorció de la llum. Aquestes interferències quàntiques donen lloc, per exemple, a l’atrapament coherent de població, la transparència induïda electromagnèticament, o el passatge adiabàtic via estimulació Raman, que han trobat aplicacions en moltes àrees de la informació quàntica.Aquesta tesi, que recull el treball d'investigació que he realitzat durant el meu doctorat sota la guia i el suport dels meus supervisors i col•laboradors, se centra principalment en aplicacions de la informació quàntica amb àtoms de tres nivells en interacció amb camps electromagnètics, tant a nivell semi clàssic i com completament quàntic. Els tres primers capítols de l'obra es centren en l'estudi teòric de nous mètodes per implementar memòries quàntiques per qubits de fotons individuals en superposició de dues components, tant de la polarització com de la freqüència. Les memòries quàntiques són dispositius capaços d'emmagatzemar i recuperar a voluntat estats quàntics de la llum amb una alta eficiència i fidelitat, i són components essencials en moltes aplicacions de la informació quàntica, com ara en repetidors quàntics o en fonts de fotons individuals. Així, l'estudi de mètodes per emmagatzemar diferents tipus de codificació de la informació quàntica en fotons és una tasca essencial.D'altra banda, propostes addicionals en el context del processat d'informació quàntica, dutes a terme durant el meu doctorat, es recullen en els capítols finals. En particular, primer ens centrem en el problema de l’adreçament de llocs individuals per àtoms neutres ultra freds en xarxes òptiques amb un àtom per lloc. Aquesta proposta es du a terme mitjançant l'ús d'una tècnica de passatge adiabàtic selectiu segons la posició. A més, en segon lloc ampliem un model teòric capaç de proporcionar prediccions fiables sobre un experiment per a la producció de parells de fotons individuals, d’alta puresa i ample de banda controlat, utilitzant una configuració de conversió paramètrica espontània. / Quantum information science, which emerges from the combination of information theory and quantum physics, has experienced an enormous progress during the last decades, leading to revolutionary advances in a wide range of interdisciplinary fields, such as quantum computation, quantum communication, high precision measurements, and fundamental quantum science. However, the ambitious goals at which the scientific community aim, e.g., quantum criptography, quantum simulators, or even quantum computation, have only started to stand out.In most quantum information applications, atomic ensembles are normally used to store and process the information, while light is used as a tool to manipulate and perform logical operations, as well as to transmit the quantum bits between distant nodes of a quantum network. Thus, the realization of a suitable quantum interface between light and atomic ensembles is essential in quantum information science. Regarding light-matter interaction, one of the most relevant systems are three-level atoms in interaction with a pair of electromagnetic fields. Three-level systems exhibit a rich variety of phenomena due to quantum interferences between the two absorption paths for the light. These quantum interferences lead, for instance, to coherent population trapping, electromagnetically induced transparency, or stimulated Raman adiabatic passage, which have found applications in many areas of quantum information. This thesis, which collects the research work that I have performed during my PhD under the guidance and support of my supervisors and collaborators, is mainly focused in quantum information applications using three level atoms in interaction with electromagnetic fields both at the semiclassical and fully quantum levels. The first three chapters of the work are focused on the theoretical study of novel methods to implement quantum memories for single photon qubits in superposition of two components, either polarization or frequency. Quantum memories are devices capable of storing and retrieving on demand quantum states of light with high efficiency and fidelity, and are essential components in many quantum information applications, such as quantum repeaters or single photon sources. Thus, the study of methods to store different kinds of quantum information encoding in photons is an essential task.Moreover, additional work in quantum information processing done during my PhD is collected in the final chapters. In particular, first we focus on the problem of single site addressing of ultracold neutral atoms in optical lattices with one atom per site, by using a position selective adiabatic passage technique. Next, we extend a theoretical model capable of providing reliable predictions for the production of controlled bandwidth and pure single photon pairs experiment, using a spontaneous parametric down-conversion setup.

El continuo progreso en microelectrónica se debe al crecimiento exponencial con el tiempo del número de transistores por circuito integrado, dependencia conocida como ley de Moore. Esta ley se sigue cumpliendo, pero se va acercando a límites intrínsecos. Por ello ha emergido la alternativa “More tan Moore”, un enfoque complementario basado en conceptos radicalmente nuevos y en la introducción de nuevos materiales que mejoren las prestaciones de dispositivos. En particular, los óxidos funcionales representan una buena oportunidad para incrementar y desarrollar las respuestas de dispositivos de interés para una gran gama de aplicaciones. Esta tesis presenta un estudio sobre la integración de capas delgadas de CoFe2O4 sobre silicio. CoFe2O4 es ferromagnético y un aislante eléctrico a temperatura ambiente, que son las propiedades requeridas para ser utilizado como barrera túnel en un dispositivo de filtro de espín. Dicho dispositivo podría permitir la inyección de corrientes de espines polarizados en silicio, como alternativa a la inyección usando electrodos ferromagnéticos y barreras túneles pasivas. Sin obstante, un filtro de espín necesita una capa fina de CoFe2O4 de espesor nanométrico, inferior a 4-5 nm para permitir el efecto túnel, y una epitaxia de muy buena calidad para conservar el ferromagnetismo y el transporte por efecto túnel. La instabilidad termodinámica de CoFe2O4 con el silicio impone el uso de una capa barrera para su integración epitaxial. El mayor desafío reside en fabricar bicapas epitaxiales y extrafinas de CoFe2O4/barrera sobre silicio. El principal objetivo de esta tesis ha sido estudiar la posibilidad de realizar este objetivo. La capa barrera es crucial. Hemos llevado a cabo una estrategia de investigación en paralelo considerando varios candidatos. SrTiO3, pudiendo crecer de forma epitaxial sobre Si(001) y ya usado como substrato monocristalino para el depósito de CoFe2O4, ha sido una opción evidente. Hemos usado capas búfer de SrTiO3 gruesas (alrededor de 17 nm) fabricadas por colaboradores del INL-Lyon para crecer capas de CoFe2O4 epitaxiales y ferromagnéticas mediante depósito con láser pulsado (pulsed laser deposition, PLD). Sin embargo hemos encontrado difusión detitanio en el CoFe2O4, y que la intercara de SrTiO3/Si(001) podría ser inestable. Zirconia estabilizada con ítria (yttria-stabilized zirconia, YSZ) es otro óxido ampliamente usado como lámina barrera para la integración de óxidos sobre Si(001). Sin embargo siempre se usa siendo una barrera gruesa, con espesores de decenas de nanómetros y presentando una capa de SiOx en la intercara. Por ello hemos invesigado los mecanismos de crecimiento epitaxial de YSZ, con el fin de determinar los límites en la reducción de espesor de YSZ y de SiOx. Como resultado podemos obtener láminas barrera ultrafinas, de aproximadamente 2 nm de espesor y con menos de 1 nm de SiOx Ha sido posible usando PLD monitorizado con RHEED (reflection high energy electron diffraction). Usando estas láminas barrera, capas ultrafinas de CoFe2O4 epitaxiales presentan una orientación (111) y capas interfaciales de SiOx superiores a 2 nm de espesor. Aunque el resultado es remarcable, el espesor total de CFO/YSZ/SiOx es excesivo para un dispositivo de filtro de espín. También hemos utilizado barreras de Sc2O3 y Y2O3 sobre Si(111), proporcionadas por colaboradores del IHP-Frankfurt Oder. Son candidatos originales que no se habían combinado nunca con CoFe2O4. A pesar del gran desajuste estructural con el CoFe2O4, de entre 15 y 20%, el crecimiento de CoFe2O4 es epitaxial. La caracterización por microscopia electrónica en transmisión ha mostrado un mecanismo de crecimiento epitaxial por ajuste dominios. Las capas presentan una magnetización cercana a la del material masivo y sin capa interfacial de SiOx en las heteroestructuras de CoFe2O4/Y2O3/Si(111). Las barreras de Y2O3 son por tanto prometedoras para la estructura nanométrica requerida en un filtro de espín. Hemos demostrado que barreras ultrafinas de Y2O3, con un espesor inferior a 2 nm, permiten el crecimiento epitaxial de CoFe2O4, aunque las investigaciones sobre la estabilidad de la intercara no han sido concluyentes. / Microelectronics is progressing continuously by the exponential growth with time of the number of transistors per integrated circuit, the popularly known as “Moore’s Law”. This law is still valid but it is approaching intrinsic limits. The “More than Moore” is a complementary approach based on the use of radically new concepts as well as on the use of new materials in existing devices to improve performance. In particular, functional complex oxides represent an opportunity to extend and develop new devices functionalities with a wide range of applications. This thesis presents a study on the integration of CoFe2O4 thin films with silicon. CoFe2O4 is ferromagnetic and electrically insulating at room temperature, the properties required to be used as tunnel barrier in a spin filter device. This device could permit the injection of spin polarized currents in silicon, as an alternative to the injection using ferromagnetic electrodes and passive tunnel barriers. However the spin filter requires a nanometric CoFe2O4 film, thinner than 4-5 nm to allow tunneling, and has to be epitaxial with high crystalline quality to preserve the ferromagnetism and tunneling transport. The thermodynamical instability between CoFe2O4 and silicon imposes the use of a buffer layer for its epitaxial integration. The challenging goal is therefore fabricating ultrathin epitaxial CoFe2O4/buffer bilayers on silicon. Investigating the possibility to achieve such goal has been the main objective of this thesis. The buffer layer is critical. Thus we have followed a strategy based on investigating in parallel several candidates. SrTiO3, which can be grown epitaxially on Si(001) with sharp interface and that has been already used as single crystal to deposited CoFe2O4, has been a natural option. We have used thick (around 17 nm) SrTiO3 buffers fabricated by collaborators at INL-Lyon to grow by pulsed laser deposition (PLD) CoFe2O4, which is epitaxial and ferromagnetic. However, there is diffusion of Ti into CoFe2O4 and the SrTiO3/Si(001) interface could be unstable. Yttria-stabilized-zirconia (YSZ) has been other investigated material. It is widely used to grow oxides on Si(001), but having the YSZ buffershigh thickness of tens of nm and presence of interfacial SiOx. Here we have investigated the mechanisms of YSZ epitaxy to determine the limits reducing the YSZ thickness and the interfacial layer. Ultrathin buffers around 2 nm thick, with less than 1 nm thick SiOx layer, can be fabricated by reflection high energy electron diffraction (RHEED) assisted PLD. Ultrathin CoFe2O4 films subsequently grown were epitaxial, although (111) oriented and with the SiOx layers more than 2 nm thick. The result is remarkable, but the total thickness of CFO/YSZ/SiOx is excessive for a tunnel device. We have used also Sc2O3 and Y2O3 buffers on Si(111), provided by collaborators at IHP-Frankfurt Oder. They are original candidates never combined with CoFe2O4. In spite of the huge lattice mismatch of around 15 and 20% CoFe2O4 grows epitaxially. Detailed transmission electron microscopy (TEM) has showed a mechanism of domain matching epitaxy. The films present magnetization close to the bulk value and without interfacial SiOx layer in the CoFe2O4/Y2O3/Si(111) sample. Thus Y2O3 appear as very promising buffer layer and maybe convenient for the nanometric structure required in a spin filter. We have demonstrated that ultrathin Y2O3 buffers, less than 2 nm thick, permit epitaxial growth of CoFe2O4, although the investigation of the interface stability has not been conclusive.

El naixement de la Mecànica Quàntica va proporcionar el marc teòric que permetia poder explicar fenòmens prèviament observats experimentalment, com ara la radiació del cos negre, l'efecte fotoelèctric o les línies espectrals de gasos atòmics, i també va permetre entendre millor aspectes fonamentals relacionats amb la dualitat ona-partícula i la interacció entre radiació i matèria. La Mecànica Quàntica ha estat també l'origen de disciplines més específiques com l'Òptica Quàntica o la Informació Quàntica, les quals s’ocupen parcialment del que es coneix com Enginyeria Quàntica. En aquest context, s'han proposat processos de passatge adiabàtic, que consisteixen en el seguiment adiabàtic d'un estat propi del sistema, i que permeten un control molt robust i eficient de la transferència de població entre dos estats assimptòtics. Com molts altres processos en Mecànica Quàntica, els processos de passatge adiabàtic són purament oscil•latoris i poden ser considerats en altres sistemes físics no quàntics que suportin quantitats oscil•lants. En aquesta tesi, s'analitzen processos de passatge adiabàtic en diferents sistemes físics per a controlar la propagació de llum, so i ones de matèria en sistemes de guies acoblades, i la transferència d'àtoms freds individuals en trampes de potencial harmòniques. Adicionalment, utilitzem la robustesa i l'alta eficiència del passatge adiabàtic per proposar nous dispositius i discutir noves implementacions en aquests diversos camps. Específicament, demostrem experimentalment el passatge espacial adiabàtic de llum en un sistema de tres guies TIR d'òxid de silici compatibles-CMOS acoblades mitjançant el camp evanescent, que consisteix en una transferència completa d'intensitat de llum entre les guies externes del sistema. L'avantatge d'usar el passatge espacial adiabàtic respecte els acobladors direccionals estàndard és que la transferència de llum és robusta enfront de fluctuacions tecnològiques i no depèn de valors precisos dels paràmetres. Aquest és el primer dispositiu de passatge espacial adiabàtic per llum fabricat amb tecnologia compatible-CMOS, el que permet una integració massiva i de baix cost. A més, també demostrem experimentalment que aquest sistema de guies es comporta simultàniament com a filtre passa alts i passa baixos, amb unes característiques que el fan una alternativa a altres tipus de filtres integrables com filtres basats en interferència o en absorció. Adicionalment, adrecem el passatge espacial adiabàtic d'ones sonores en sistemes de dos defectes lineals acoblats en cristalls sònics. Calculant els diagrames de bandes per analitzar els supermodes del sistema disponibles i modificant apropiadament la geometria dels defectes lineals al llarg de la propagació, dissenyem dispositius que funcionen com a divisors i acobladors adiabàtics mutifreqüència i com a analitzadors de diferència de fase. També, proposem un mètode per injectar, extreure i filtrar en velocitat àtoms neutres en trampes en forma d'anell mitjançant el passatge espacial adiabàtic utilitzant dues guies addicionals. La proposta es basa en el seguiment adiabàtic d’un estat propi transversal del sistema. Realitzem càlculs semianalítics que encaixen perfectament amb els resultats de simulacions numèriques de l'equació de Schrödinger. També mostrem que la nostra proposta podria ser implementada experimentalment utilitzant paràmetres realistes d'àtoms ultrafreds en potencials òptics dipolars. Finalment, estudiem el passatge adiabàtic d'un àtom fred individual en un triple pou de potencial bidimensional, anant més enllà dels sistemes coneguts, que són de manera efectiva unidimensionals i estudiant les possibilitats que sorgeixen dels graus de llibertat addicionals. D'una banda, un sistema de tres pous de potencial amb les trampes en una geometria triangular es proposa per a interferometria d'ones de matèria, aprofitant un creuament de nivells que apareix en l'espectre d'energia. D'altra banda, es genera moment angular satisfactòriament en una configuració similar on les trampes tenen freqüències d'atrapament diferents, seguint simultàniament dos estats propis del sistema. / The birth of Quantum Mechanics provided a theoretical framework that could explain some previously experimentally reported phenomena, such as the black body radiation, the photoelectric effect or the spectral lines of atomic gases, and also allowed for a better understanding of fundamental aspects related to the wave-particle duality and the interaction between radiation and matter. Quantum Mechanics has been also the origin of more specific disciplines such as Quantum Optics or Quantum Information science, which are partially devoted to a more applied research field that is known as Quantum Engineering. In this context, adiabatic passage processes consisting in the adiabatic following of an eigenstate of the system, which allows for a very robust and efficient control of the population transfer between two asymptotic states have been proposed. As many other processes in Quantum Mechanics, adiabatic passage processes are purely oscillatory and can be extended to other non-quantum physical systems, which also support oscillating quantities. In this thesis, spatial adiabatic passage processes are addressed in different oscillatory physical systems to control light, sound and matter waves propagation in systems of coupled waveguides, and the transfer of single cold atoms in harmonic potentials. Additionally, we make use of the robustness and high efficiency of the adiabatic passage to propose new devices and discuss new implementations in these various fields. To be specific, we experimentally demonstrate the spatial adiabatic passage of light in a system of three evanescent-coupled CMOS-compatible silicon oxide TIR waveguides, which consists in a complete transfer of light intensity between the outermost waveguides of the system. The advantage of using spatial adiabatic passage compared to standard directional couplers is that the light transfer is robust in front of technological fluctuations and does not depend on precise parameter values. Additionally, this is the first spatial adiabatic passage of light device fabricated in CMOS-compatible technology, which allows for massive and low cost integration. Furthermore, we also experimentally show that this system of coupled waveguides behaves as a simultaneously low- and high-pass spectral filter, with features that makes it an alternative to other integrated filters like interferenceñbased and absorbance-based filters. In addition, we address the spatial adiabatic passage of sound waves in systems of two coupled linear defects in sonic crystals. By calculating the band diagrams to analyze the available supermodes of the system and modifying the geometry of the linear defects along the propagation distance appropriately, we design devices working as a multifrequency adiabatic splitter, as a coupler and also as a phase difference analyser. Furthermore, we discuss a novel method to inject, extract and velocity filter neutral atoms in a ring trap via a spatial adiabatic passage process by using two extra waveguides. The proposal is based on the adiabatic following of a transversal eigenstate of the system. Semianalytical calculations are performed, which perfectly match with the results of the numerical integration of the Schrˆdinger equation. We also show that our proposal could be experimentally implemented for realistic state-of-the-art parameters of ultracold atoms in optical dipole potentials. Finally, we study the spatial adiabatic passage of a single cold atom in two-dimensional triple-well potentials, going beyond the well-understood effective one-dimensional systems and studying the possibilities arising from the additional degrees of freedom. On the one hand, a system of three coupled identical harmonic potentials with the traps lying in a triangular configuration is proposed for matter wave interferometry taking profit of a level crossing appearing in the energy spectrum. On the other hand, angular momentum is successfully generated in a similar configuration where the three harmonic traps have different trapping frequencies by simultaneously following two eigenstates of the system.

T2K es un experimento de oscilaciones de neutrinos de largo recorrido en el que por primera vez se ha observado la aparición de neutrinos electrónicos en un haz de neutrinos muónicos. Así pues, el único ángulo de mezcla que quedaba por conocer, q13, es medido con gran precisión. el background principal de esta medida es la contaminación de neutrinos electrónicos producida en el haz junto con la componente de neutrinos muónicos. Ésta es una componente irreducible que ha de ser medida y controlada. La componente intrínseca de neutrinos electrónicos es medida antes de las oscilaciones en el detector cercano de T2K confirmando la predicción de la simulación con un precisión del 10%. Se establece que el background de neutrinos electrónicos está bien reproducido y que la principal medida del experimento T2K es exacta. Por otro lado, estudiar la componente de neutrinos electrónicos es interesante para investigar el comportamiento anómalo de algunos experimentos. Estudios en reactores nucleares y resultados en la calibración de experimentos de neutrinos solares con Galio han observado un déficit de neutrinos electrónicos a cortas distancias de la fuente. Este déficit no es compatible con oscilaciones de neutrinos estándar, pero puede ser conciliado en el marco de las oscilaciones, mediante la introducción de un cuarto neutrino con una masa del orden de 1eV². Este nuevo neutrino no sentiría ninguna fuerza del Modelo Estándar y por ello es comúnmente llamado neutrino estéril. Asumiendo que se mezcla con los neutrinos de tipo electrónico, explicaría la desaparición a cortas distancias de los mismos. El detector cercano de T2K se encuentra a una distancia de la fuente óptima para el estudio de oscilaciones de neutrinos estériles ligeros. El modelo más simple de neutrinos estériles con un sólo neutrino adicional es investigado, definiendo intervalos de confianza para los parámetros de oscilación y comparándolos con la literatura. / The T2K experiment is a long baseline neutrino experiment that has observed for first time the appearance of electron-neutrinos in a muon-neutrino beam. Thanks to this analysis, the last unknown neutrino mixing angle q13 is measured with a good precision. The main background to this measurement is the contamination of electron-neutrinos produced in the neutrino beam together with the dominant muon-neutrino component. This is an irreducible component that needs to be measured and controlled. The prediction of this component at SuperKamiokande is based on the constrain of the neutrino flux and cross sections by a muon-neutrino selection at the T2K near detector ND280. To confirm this prediction, we measure the electron-neutrino event rates at ND280 before the oscillations occur, establishing that the electron-neutrino component is correctly reproduced by the simulation at the 10% level. In addition, studying the electron-neutrino component is interesting to investigate the abnormal behaviour of some neutrino experiments. The reactor neutrino experiments as well as the results from calibration with radioactive sources in solar neutrino experiment with gallium have observed a deficit of electron-neutrino at very short distances from the neutrino source. This depletion is not compatible with standard neutrino oscillation, but it can be explained by invoking a fourth neutrino with a mass of the order of 1eV². This neutrino does not feel any force of the Standard Model and hence is called sterile neutrino. Assuming that it mixes with the electron-neutrinos, it would be responsible of the short base-line electron-neutrino disappearance due to neutrino oscillation. The T2K near detector is located at a position short enough to study the light sterile neutrino oscillations. The neutrino model with an additional sterile neutrino apart from the three active species is tested and some constraints to the oscillation parameters are set and compared with the literature.

El objetivo principal de esta investigación es la simulación y la evaluación de un nuevo concepto de escáner de tomografía por emisión de positrones (PET) basado en un detector pixelado de CdTe en el marco del proyecto “Voxel Imaging PET (VIP) Pathfinder”. El diseño se ha simulado con el programa “GEANT4-based Architecture for Medicine-Oriented Simulations” (GAMOS). El sistema se ha examinado siguiendo las prescripciones de los protocolos NEMA para la evaluación de los dispositivos PET. Varias pruebas se han realizado para evaluar la eficiencia y la calidad de imagen del escáner simulando con precisión las condiciones experimentales requeridas. Por otra parte, el escáner VIP también ha sido evaluado en condiciones pseudo-clínicas con la simulación del escaneo de un cerebro humano. Los resultados de simulación muestran que la excelente resolución de energía de los detectores de CdTe (hasta 1,6% para fotones de 511 keV a temperatura ambiente), junto con el tamaño pequeño del vóxel (1 mm x 1 mm x 2 mm), el alto poder de frenado del CdTe, y la geometría del anillo libre de huecos, dan al nuevo diseño el potencial para superar las limitaciones intrínsecas de los PETs modernos caracterizados por la relativamente pobre resolución de energía de los detectores de centelleo (~10%) y gran incertidumbre de profundidad de interacción (DOI). El escáner VIP puede conseguir una resolución de imagen de hasta ~1 mm de FWHM en todas las direcciones y recoger datos con muy bajo ruido que producen imágenes de excelente calidad en condiciones extremadamente difíciles, como el escaneo de una cabeza humana. Se pueden obtener imágenes de alta calidad con considerablemente menor número de eventos adquiridos respecto a los PETs disponibles actualmente. Esta característica puede utilizarse tanto para aumentar el rendimiento de una unidad hospitalaria de medicina nuclear, como para disminuir la dosis inyectada por paciente. Esta tesis consiste de 6 capítulos principales. Los tres primeros incluyen una revisión de los conocimientos teóricos e históricos de PET, y su estado en la medicina nuclear en la actualidad. La geometría del escáner VIP y sus características distintivas están descritos en el capítulo 5. El capítulo 6 describe la simulación del escáner VIP y el estudio de los resultados de eficiencia del nuevo diseño, mientras que el capítulo 7 está dedicado a la optimización de la técnica de reconstrucción de imagen y la evaluación de la calidad de las imágenes obtenidas con el escáner VIP. Por último, los resultados principales están resumidos en el capítulo final. / The central aim of this research is the simulation and the evaluation of a novel conceptual PET scanner based on pixelated CdTe detector in the framework of the Voxel Imaging PET (VIP) Pathfinder project. The novel design is simulated with the GEANT4-based Architecture for Medicine-Oriented Simulations (GAMOS) and including the expected CdTe and electronics specifics. The system is tested mostly following the prescriptions of the NEMA protocols for the evaluation of PET devices. Several tests are performed to assess the counting and the imaging performance of the VIP with the accurate modeling of the required experimental conditions. Furthermore, the VIP scanner is also evaluated in more challenging pseudo-clinical conditions with the simulation of the screening of a real human head. The simulation results show that the excellent energy resolution of the CdTe detectors (down to 1.6% for 511 keV photons at room temperature), together with the small voxel size (1 mm x 1 mm x 2 mm), the high CdTe stopping power, and the crack-free ring geometry, give the new design the potential to overcome the intrinsic limitations of state-of-the-art crystal PETs, characterized by relatively poor energy resolution (~10%) and large depth of interaction (DOI) uncertainty. The VIP scanner can achieve an image resolution as low as ~1 mm full width at half maximum (FWHM) in all directions and collect virtually noise-free data producing excellent quality images in extremely challenging conditions such as the screening of a human head. High quality images can be obtained with significantly smaller number of collected events with respect to the currently available PETs. This characteristic can be used to, either increase the throughput of a nuclear medicine hospital unit, or to decrease the injected dose per patient. This thesis consists of 6 main chapters. The first three chapters include a review of the theoretical and historical background of PET, and its role in the nuclear medicine nowadays. The VIP scanner geometry and its distinctive features are described in the chapter number 5. Chapter 6 describes the simulation of the VIP scanner and study of the counting performance of the new design, while the chapter 7 is dedicated to optimization of the image reconstruction technique and the assessment of the quality of images obtained with the VIP scanner. Finally, the main results are summarized in the conclusive chapter.

El quark top, descubierto en 1995 en los experimentos CDF y D0 en el colisionador protón-antiprotón Tevatron en Fermilab (Chicago, USA), es la partícula elemental más pesada conocida, con una masa comparable a la de un átomo de tungsteno. Esta propiedad, no explicada por el Modelo Estándar, confiere al quark top un papel especial en el contexto de modelos teóricos más allá del Modelo Estándar, muchos de los cuales predicen nuevas partículas que se acoplan preferentemente al quark top debido a su alta masa. Después de una década de estudios en el Tevatron (2001-2011), no se han descubierto indicios significativos de nueva física en las propiedades del quark top. La única excepción es la medida de la asimetría adelante-atrás en la producción de parejas top-antitop en colisiones protón-antiprotón en el Tevatron, donde se han encontrado un exceso de aproximadamente dos desviaciones estándar con respecto a la predicción del Modelo Estándar. Esta medida indica que en promedio los quarks top en sucesos top-antitop se producen en la dirección del haz de protones con mayor frecuencia que los quarks antitop. Aunque el Modelo Estándar predice una pequeña asimetría adelante-atrás debido a la interacción fuerte, la presencia de nuevas partículas pesadas contribuyendo a la producción de parejas top-antitop podría dar lugar a un exceso como el observado. Por desgracia, tras el cese de operaciones del Tevatron en Septiembre del 2011, el análisis de todos los datos de los experimentos CDF y D0 no han permitido alcanzar una conclusión definitiva con respecto a esta anomalía. Esta tesis doctoral está centrada en la medida de precisión de la asimetría de carga en la producción de parejas top-antitop en colisiones protón-protón en el LHC usando las muestras completas de datos acumulados por el detector ATLAS a energías del centro de masas de 7 TeV y 8 TeV, correspondientes a luminosidades integradas de aproximadamente 5 fb-1 y 20 fb-1, respectivamente. La asimetría de carga AC en el LHC, relacionada con la asimetría adelante-atrás en el Tevatron, es sensible a los mismos efectos de nueva física que causarían una desviación en las medidas del Tevatron. En esta tesis doctoral se utiliza el canal semileptónico para hacer medidas inclusivas y diferenciales de la asimetría de carga en sucesos top-antitop. La cinemática de producción de la pareja top-antitop es reconstruida a partir del productos de la desintegración semileptónica y un metodo de unfolding bayesiano es utilizado para estimar AC al nivel partónico. Usando los datos a 7 TeV, se ha alcanzado una precisión 1% en la medida de la asimetría de carga a nivel inclusivo. También se han realizado medidas diferenciales en función de la masa invariante, ángulo de producción con respecto al eje del haz de protones y momento transverso de la pareja top-antitop. Usando los datos a 8 TeV, la precisión obtenida es de 0.5% en la medida de la asimetría de carga a nivel inclusivo, y también se ha realizado la medida diferencial en función de la masa invariante de la pareja top-antitop. La comparación de todas las medidas con las predicciones teóricas indican consistencia con el Modelo Estándar. / The top quark, discovered in 1995 at the CDF and D0 experiments at Fermilab’s Tevatron proton-antiproton collider, is the heaviest known elementary particle, with a mass comparable to the atomic mass of tungsten. This property, not explained by the Standard Model (SM), gives a special role to the top quark in the context of theoretical models beyond the Standard Model. Many of the models predict that new particles would preferably couple with the top quark, due to its high mass. After a decade of studies at the Tevatron (2001-2011), no signs of new physics have been discovered in the properties of the top quark, with the exception of the forward-backward asymmetry in top quark pair production, where an excess of about two standard deviations from the SM prediction has been found. This measurement shows that, in average, the top quark in top-antitop events is produced in the proton direction more often than the antitop quark. Even though the SM predicts a small forward-backward asymmetry due to the strong interaction, the presence of new heavy particles contributing to the top-antitop pair production could cause the observed excess. Unfortunately the Tevatron operation terminated on September 2012, and the analysis of the full datasets collected by the CDF and D0 experiments did not provide a final answer with respect to this anomaly. This dissertation describes the precise measurement of the charge asymmetry AC in top-antitop pair production in proton-proton collisions at LHC, using the full dataset collected with the ATLAS detector at center-of-mass energies of 7 TeV and 8 TeV, corresponding to integrated luminosities of about 5 fb-1 and 20 fb-1, respectively. The LHC charge asymmetry, related to the Tevatron forward-backward asymmetry, is a complementary probe of the same new physics effects that could be responsible for the Tevatron excess. The lepton+jets channel is considered to perform inclusive and differential measurements of the charge asymmetry in top quark pair events. The kinematics of the top-antitop pair is reconstructed from the semileptonic decay products, and a Bayesian unfolding procedure is employed to estimate AC at the parton level. Using the dataset at 7 TeV, a 1% precision is achieved for the inclusive measurement. Differential AC measurements as a function of the invariant mass, the rapidity and the transverse momentum of the top-antitop pair are also presented. Using the dataset at 8 TeV, a 0.5% precision is achieved for the inclusive measurement, and the differential AC measurement as a function of the invariant mass of the top-antitop pair is performed as well. All measurements are found to be consistent with the SM predictions.