En esta tesis doctoral se ha investigado la dispersión pión-nucleón en diferentes formalismos covariantes de la Teoría Quiral de Perturbaciones (ChPT). Hemos comprobado que, en el más utilizado (denominado Regularización Infrarroja) las propiedades analíticas de las amplitudes se modifican de forma que dan lugar a algunos resultados difíciles de conciliar con la fenomenología existente. El otro formalismo (denominado regularización en la capa másica), logra mantener las propiedades analíticas de un formalismo covariante y permite, una vez la contribución de la resonancia Δ(1232) se incluye explícitamente, extraer, para importantes magnitudes, valores perfectamente compatibles con diferentes determinaciones independientes. Este resultado extiende la validez de ChPT con bariones hasta regiones donde se creía que la serie quiral no convergía. Además, también se ha realizado un estudio fenomenológico de la amplitud de dispersión φ(1020)f0(980) cerca del umbral y naturaleza de la resonancia Y(2175), asi como la posible existencia de una compañera isovectorial de ésta / In this thesis we have investigated the pion-nucleon scattering within the different covariant formalism of Chiral Perturbation Theory (ChPT). He have found that in the most used one (called Infrared Regularization) the analytical properties of the amplitudes are modified giving rise to some results that are incompatible with the established phenomenology. However, the other formalism (called Extended-On-Mass-Shell), keeps the analytical properties of a covariant formalism and achieves the best convergence. Once the Δ(1232) is included explicitly, we are able to extract, for important quantities, values that are perfectly compatible with independent phenomenology. This result extend the validity of ChPT with baryons up to regions where the chiral series was expected to fail. On the other hand, we have performed a phenomenological study of the φ(1020)f0(980) scattering near threshold and studied the nature of the Y(2175) resonance, as well as the possible existence of an isovector companion of the latter.

Esta tesis presenta los últimos resultados de ATLAS en la búsqueda del bosón de Higgs del Modelo Estándar (SM) en su decaimiento a un par de quarks-b. La búsqueda del bosón de Higgs se realiza en los canales de producción asociados con un bosón vectorial W o Z en el estado final. Ésta incluye el decaimiento leptónico (electrón y muón) del bosón vectorial además del canal en el que el bosón Z decae a un par de neutrinos. En particular, este documento se centra en el canal ZH (Z → νν and H → bb). El análisis utiliza todos los datos generados por colisiones de protones en el experimento ATLAS a √s = 7TeV y √s = 8 TeV. El análisis se basa en una compleja caracterización de eventos en función del modo de decaimiento del bosón vectorial, el número de jets y de b-jets en el estado final, y el momento transverso del bosón vectorial. Esto permite hacer un estudio detallado de los principales procesos de fondo. Dos enfoques diferentes se consideran para el análisis: la utilización de la distribución de mbb como variable principal de discriminación o el uso de una técnica multivariante de redes neuronales. El análisis utiliza una compleja estrategia de ajuste de datos y predicciones de fondo en regiones de control y señal que posibilita constreñir los procesos de fondo, reducir las incertidumbres sistemáticas e incrementar la sensibilidad a la señal del Higgs. El proceso se valida con la búsqueda del proceso conocido de dos bosones (diboson) (W/Z)Z (Z →bb) de estado final similar. La señal de diboson se observa claramente con una significación estadística de 4.9σ. La fuerza de la señal observada (comparada con la del SM) es de μVZ= 0.74±0.09(stat)±0.14(sys), compatible con la predicción del SM. La distribución de la variable resultante del algoritmo multivariante para cada categoría del análisis se compara con las distribuciones de la señal y el fondo esperados, observándose un exceso de eventos para una masa del bosón de Higgs mH de 125GeV. La significación estadística observada (esperada) de este exceso es de 1.4σ (2.6σ) y la proporción de la cantidad de señal medida comparada con la esperada por el SM es de μ = 0.51 ± 0.31(stat) ± 0.24(syst). Este resultado es consistente entre todos los canales y compatible con los obtenidos por el análisis que usa la distribución mbb como principal variable discriminante. Aunque se haya observado un exceso de eventos, su significación estadística no es suficientemente alta como confirmar una observación o un descubrimiento del proceso. / This thesis presents the latest ATLAS results on the search for the Standard Model (SM) Higgs boson decaying into a pair of b-quarks. The Higgs boson is searched for in the production channel for which the Higgs is produced in association with a W or Z boson in the final state. This includes the leptonic (electron and muon) decay channels for the vector bosons in addition to the channel with Z decaying into a pair of neutrinos. In particular, this document is mostly focused on the ZH (Z → νν and H → bb) channel. The analysis has considered all the proton-proton collision data collected by the ATLAS experiment at √s = 7 TeV and √s = 8 TeV. The analysis is based on a characterization of the events according to the vector boson decay, the number of jets and b-jets in the final state, and the vector boson transverse momentum. This permits a detail study of the main background processes. Two different approaches are considered for the analysis: using the mbb distribution as main discriminating variable or using a neural-net multivariate technique. The analysis involves a complex fitting strategy of data and background predictions in control and signal regions that contributes to constrain the background processes, to reduce the systematic uncertainties, and to increase the sensitivity to the Higgs signal. The whole procedure is validated by searching for the known diboson (W/Z)Z (Z →bb) process with similar final state. The diboson signal is clearly observed with a significance of 4.9σ. Its observed strength (compared to that of the SM) is μVZ= 0.74±0.09(stat.)±0.14(syst.), in agreement with the SM prediction. The measured output distributions of the multivariate algorithm in each event category are compared with the expected signal and background distributions and an excess of events above the expected background is observed at a Higgs mass mH of 125GeV. The observed (expected) significance of this excess is 1.4σ (2.6σ) and the ratio of the measured signal yield to the Standard Model expectation is found to be μ = 0.51 ± 0.31(stat) ± 0.24(syst). These results are consistent among channels and in agreement with those obtained with the analysis that uses mbb distributions as the main discriminating variable. Although an excess is observed, its statistical significance is not large enough to claim neither evidence nor discovery of the process.

La detección precisa y la dosimetría de neutrones en campos de radiación mixtos y pulsados es un tema instrumental demandado con gran interés por las comunidades médica e industrial. Estudios recientes de la contaminación de neutrones alrededor de los aceleradores lineales médicos han aumentado la preocupación sobre el riesgo de cáncer secundario en pacientes sometidos a tratamiento de radioterapia en las modalidades de fotones con energías superiores a 8 MeV. En respuesta a esa necesidad, en esta tesis se ha desarrollado una innovadora alternativa a los detectores estándares con un método activo para medir los neutrones alrededor de un acelerador lineal médico. Para tal fin, se han fabricado y optimizado nuevos detectores de silicio ultra delgados con electrodos 3D. El volumen activo de estos sensores tiene sólo 10 μm de espesor, lo que permite un alto rechazo a rayos gamma, lo cual es necesario para discriminar la señal de neutrones en el campo de la radiación periférica en radioterapia (con un alto fondo gamma). Estos detectores de neutrones son una solución prometedora para estimar el riesgo del paciente, puesto que pueden proporcionar al personal médico una respuesta rápida para una planificación óptima del tratamiento. También pueden ser utilizados en otras áreas con campos de radiación mixtos de neutrones/gamma tales como entornos nucleares y aeroespaciales, o microdosimetría. Además, las características intrínsecas de los dispositivos de silicio como robustez, pequeño tamaño, peso ligero y bajo consumo, los hacen ideales para ser empleados como sistemas de detección de neutrones portátiles. La investigación presentada en este trabajo describe las simulaciones Monte Carlo llevadas a cabo para optimizar el diseño de los prototipos, los procesos de fabricación de los detectores y su caracterización con fuentes radiactivas. Finalmente, se muestra el buen funcionamiento de estos nuevos detectores 3D ultra–delgados de silicio para la detección de neutrones en salas de radioterapia. / The accurate detection and dosimetry of neutrons in mixed and pulsed radiation fields is a demanding instrumental issue with great interest both for the industrial and medical communities. Recent studies of the neutron contamination around medical linear accelerators have increased the concern about the secondary cancer risk for radiotherapy patients undergoing treatment in photon modalities at energies greater than 8 MeV. In this thesis, an innovative alternative to standard detectors with an active method to measure neutrons around a medical linac has been developed in response to that need. Novel ultra–thin silicon detectors with 3D electrodes adapted for neutron detection have been fabricated and optimized for such purpose. The active volume of these sensors is only 10 μm thick, allowing a high gamma rejection, which is necessary to discriminate the neutron signal in the radiotherapy peripheral radiation field with a high gamma background. These neutron detectors are not only a promising solution to estimate patient risk since they may provide medical staff a fast feedback for optimal treatment planning, but expand the functional applications of current neutron detectors for other environments with mixed gamma–neutron radiation fields such as nuclear and aerospace environments or microdosimetry. Moreover, the intrinsic features of the silicon devices like robustness, small size, consumption and weight, make them ideal for portable systems. The research presented in this work describes first the Monte Carlo simulations to optimize the design of the prototypes, secondly the fabrication processes of the detectors, and third the electrical characterization and calibration with radioactive sources of these sensors. Finally, it is shown the good performance of the novel ultra–thin 3D silicon detectors for neutron detection inside a radiotherapy room.

This thesis aims at developing numerical methods based on level-set techniques suitable for the direct numerical simulation (DNS) of free surface and interfacial flows, in order to be used on basic research and industrial applications. First, the conservative level-set method for capturing the interface between two fluids is combined with a variable density projection scheme in order to simulate incompressible two-phase flows on unstructured meshes. All equations are discretized by using a finite-volume approximation on a collocated grid arrangement. A high order scheme based on a flux limiter formulation, is adopted for approximating the convective terms, while the diffusive fluxes are centrally differenced. Gradients are computed by the least-squares approach, whereas physical properties are assumed to vary smoothly in a narrow band around the interface to avoid numerical instabilities. Surface tension force is calculated according to the continuous surface force approach. The numerical method is validated against experimental and numerical data reported in the scientific literature. Second, the conservative level-set method is applied to study the gravity-driven bubbly flow. Unlike the cases presented in the first part, a periodic boundary condition is applied in the vertical direction, in order to mimic a channel of infinite length. The shape and terminal velocity of a single bubble which rises in a quiescent liquid are calculated and validated against experimental results reported in the literature. In addition, different initial arrangements of bubble pairs were considered to study its hydrodynamic interaction, and, finally the interaction of multiple bubbles is explored in a periodic vertical duct, allowing their coalescence. In the third part of this thesis, a new methodology is presented for simulation of surface-tension-driven interfacial flows by combining volume-of-fluid with level-set methods. The main idea is to benefit from the advantage of each strategy, which is to minimize mass loss through the volume-of-fluid method, and to keep a fine description of the interface curvature using a level-set function. With the information of the interface given by the volume-of-fluid method, a signed distance function is reconstructed following an iterative geometric algorithm, which is used to compute surface tension force. This numerical method is validated on 2D and 3D test cases well known in the scientific literature. The simulations reveal that numerical schemes afford qualitatively similar results to those obtained by the conservative level-set method. Mass conservation is shown to be excellent, while geometrical accuracy remains satisfactory even for the most complex cases involving topology changes. In the fourth part of the thesis a novel multiple marker level-set method is presented. This method is deployed to perform numerical simulation of deformable fluid particles without numerical coalescence of their interfaces, which is a problem inherent to standard interface tracking methodologies (e.g. level-set and volume of fluid). Each fluid particle is described by a separate level-set function, thus, different interfaces can be solved in the same control volume, avoiding artificial and potentially unphysical coalescence of fluid particles. Therefore, bubbles or droplets are able to approach each other closely, within the size of one grid cell, and can even collide. The proposed algorithm is developed in the context of the conservative levelset method, whereas, surface tension is modeled by the continuous surface force approach. The pressure-velocity coupling is solved by the fractional-step projection method. For validation of the proposed numerical method, the gravity-driven impact of a droplet on a liquid-liquid interface is studied; then, the binary droplet collision with bouncing outcome is examined, and finally, it is applied on simulation of gravity-driven bubbly flow in a vertical column. The study of these cases contributed to shed some light into physics present in bubble and droplet flows. / Ésta tesis se enfoca en el desarrollo de métodos numéricos basados en la aplicación de técnicas level-set para la Simulación Numérica Directa (DNS) de flujos interfaciales y flujos de superficie libre, con el objetivo de ser usados tanto en investigación básica como en aplicaciones industriales. Primero, el método level-set conservativo desarrollado para la captura de interfaces entre dos fluidos, es combinado con un esquema de proyección adaptado para un fluido de densidad variable, con el objetivo de simular flujos de dos fases en mallas no estructuradas. Todas las ecuaciones son discretizadas mediante una aproximación de volúmenes finitos sobre un arreglo de malla colocada. Un esquema de alto orden cuya formulación se basa en el uso de limitadores de flujo, es usado para la discretización de los términos convectivos, mientras que los flujos difusivos son calculados mediante diferencias centradas. Los gradientes son calculados mediante el método de los mínimos cuadrados, en tanto que se asume que las propiedades físicas varían suavemente en una zona estrecha alrededor de la interface con el objetivo de evitar inestabilidades numéricas. La tensión superficial es incorporada mediante el enfoque de la fuerza superficial continua. El método numérico es validado con respecto a los datos experimentales y numéricos reportados en la literatura científica. Segundo, el método level-set conservativo es aplicado en el estudio del flujo de burbujas conducidas por la gravedad. A diferencia de los casos precedentes, se aplica una condición de frontera periódica en la dirección vertical, con el objetivo de simular un canal de longitud infinita. La forma y velocidad terminal de una burbuja ascenciendo en un líquido inicialmente en reposo son calculadas y contrastadas con los resultados reportados en la literatura. Adicionalmente se estudia la interacción hidrodinámica de un par de burbujas para diferentes configuraciones, y finalmente se explora la interacción de un emjambre de burbujas ascendiendo en un canal vertical. En la tercera parte de ésta tesis, se presenta una nueva metodología para la simulación de flujos interfaciales conducidos por la tensión superficial, mediante la combinación de los métodos volume-of-fluid y level-set. La idea principal se basa en usar el método volume-of-fluid para advectar la interface, minimizando las pérdidas de masa, mientras que las propiedades geométricas de la interface se calculan a partir de una función level-set obtenida mediante un algoritmo geométrico iterativo. La propiedades geométricas así calculadas son usadas para el cómputo de la tensión superficial. El método numérico es validado mediante casos bi y tri-dimensionales bien conocidos en la literatura científica. La conservación de la masa es excelente en tanto que la precisión del método es altamente satisfactoria incluso en los casos más complejos. En la cuarta parte de ésta tesis se presenta un nuevo método level-set de múltiples marcadores. Éste método es diseñado para llevar a cabo simulaciones numéricas de partículas de fluido deformables, evitando la coalescencia numérica de las interfaces. Cada partícula de fluido es capturada por una función level-set distinta, así, diferentes interfaces pueden ser resueltas en el mismo volumen de control, evitando la coalescencia artificial y potencialmente no-física de las partículas fluidas. Por lo tanto, las burbujas (o gotas) pueden acercarce y colisionar. El algoritmo es propuesto en el contexto del método level-set conservativo, mientras que la tensión superficial se resuelve mediante una adaptación del enfoque de la fuerza superficial continua. Para su validación, se estudia el impacto conducido por la gravedad de una gota sobre una interface líquido-líquido; luego, se estudia la collisión de dos gotas con salida rebotante, y finalmente el método numérico es aplicado para la simulación de un enjambre de burbujas sin coalescencia numérica.

Conical Intersections (CI) are points in Potential Energy Surfaces (PES) of two or more states that have the same energy. They are fundamental to understand photo-chemical processes. These points are not isolated points, CI form seam between PES. One way to study they is to find the minimum energy CI (MECI). For this reason, in this thesis, a new algorithm for finding MECI has been proposed: Double Newton-Raphson (DNR). The algorithm has been implemented in Gaussian® program for fully-quantum calculations and ONIOM ones. It has been tested with other algorithms with a test set with correct results. Using studies of PES and MECI is possible to propose new strategies for control photo-processes. In this thesis, a new control strategy has been proposed for controlling the fulvene photo-rotation, using two different lasers, resonant and non-resonant, to obtain a Stark effect. This strategy has been simulated with quantum molecular dynamics. The simulations show that the control is achieved / Les Interseccions Conques (CI) són punt en la Superfícies d'Energia Potencial (PES) de dos o més estats amb la mateixa energia. Son essencials per entendre els processos fotoquímics. Aquest punts no estan aïllats, les CI formen interseccions entre les PES. Una manera d'estudiar-los és trobant els mínims d'energia (MECI). Per aquest motiu, en aquesta tesis, un nou algoritme ha estat proposat: Double Newton-Raphson (DNR). El DNR ha estat implementat en el programa Gaussian® per càlculs totalment quàntics i ONIOM. Aquest ha estat provat juntament amb altres algoritmes amb un test set amb correctes resultats. Utilitzant els estudis de la PES i els MECI és possible proposar noves estratègies per controlar foto-reaccions. En aquesta tesis, una nova estratègia de control ha estat proposada per tal de controlar la foto-rotació del fulvè, utilitzant dos làsers diferents, un ressonant i un altre no-ressonant per obtenir un efecte Stark. Aquesta estratega ha estat simulada amb dinàmiques moleculars quàntiques. Les simulacions mostres que s'aconsegueix el control

El objetivo de esta tesis consiste en el estudio de varias familias de modelos de loops en dos y tres dimensiones, donde se encuentran dos fases diferentes: una con loops finitos y otra donde hay al menos uno infinito. En concreto, se han estudiado tres clases de modelos de loops. El primero, un modelo de loops tridimensionales con orientación y color, definidos en redes con número de coordinación cuatro. El segundo, una modificación de estos modelos de loops que es un firme candidato a presentar una transición de fase de deconfinamiento. El tercero, un modelo de loops bidimensionales en la red cuadrada donde los loops pueden cruzarse. Hemos caracterizado el diagrama de fases de la primera familia de modelos en dos redes diferentes, las redes tridimensionales L y K. La transición de fase pasa a ser de primer orden a partir del valor n>nc, con cota inferior nc>3.0(2). Para n=1 y n=2 hemos mostrado que las clases de universalidad de los modelos de loops son las de la clase C de las transiciones de Anderson y la del modelo sigma sobre O(3), respectivamente. Esto es compatible con el hecho de que los modelos de loops se pueden expresar como una discretización de modelos sigma CP^{n-1}. Para n=3 los resultados son compatibles con transiciones de fase continuas en ambas redes, y hemos dado los exponentes críticos por primera vez: ν=0.536(13) y η=0.23(2). También hemos caracterizado la distribución de longitudes de loops en la fase extendida y es la de Poisson-Dirichlet con parámetro θ=n. En la segunda clase de modelos, para n=2 hemos podido describir una transición entre la fase extendida y una fase localizada, fase U(1), que cambia mediante un crossover a la fase localizada Z_4. Hemos mostrado que este modelo se comporta de forma similar a los modelos paradigmáticos para el estudio de la criticalidad cuántica de deconfinamiento y parece estar en la misma clase de universalidad. Hemos hecho varias propuestas y podemos destacar que los resultados son compatibles con una transición continua no estándar o una de primer orden muy débil. Damos también estimaciones de los exponentes críticos a partir de varios observables. Hemos propuesto un candidato a mostrar un punto crítico de deconfinamiento, relacionado con sistemas magnéticos SU(2), y hemos estudiados tamaños mayores que los que se han publicado hasta ahora. Por último, hemos estudiado los modelos de loops bidimensionales con cruces. Hemos podido determinar las características de la llamada fase de Goldstone, en particular el comportamiento logarítmico de varios observables: correlaciones, distribución de longitudes, etc. Para conseguir estudiar esto, hemos desarrollado una técnica paralelizable de matriz de transferencia que ha permitido el acceso a tamaños enormes. También hemos caracterizado la transición de fase y hemos proporcionado los valores de los exponentes críticos. Estos exponentes son muy similares a los de la clase simpléctica de las transiciones de Anderson en 2D. El estudio de estos tres modelos se ha realizado mediante simulaciones numéricas y para ello hemos usado varios algoritmos basados en procesos de Monte Carlo. La implementación de los algoritmos se ha hecho en FORTRAN 90, con el uso de bibliotecas para la paralelización como OPENMP y MPICH. También se ha desarrollado una implementación en el lenguaje para procesadores gráficos programables: CUDA. Con este trabajo hemos mostrado una forma diferente de estudiar transiciones de fase cuánticas, mediante la simulación de modelos geométricos (clásicos). Ésto permite el acceso a tamños mucho mayores que otro tipo de técnicas. / The work in this thesis is devoted to the study of loop models in two and three dimensions, where there are two different phases: one with finite loops, and the other with at least one infinite loop. Specifically, three families of loop models have been studied. First, a family of three-dimensional completely-packed loop models with n colors, where the loops are defined in four-coordinated, oriented lattices. Second, the same family of loop models when there is an extra interaction that preserves an special symmetry of the lattice. Third, a family of two-dimensional completely-packed loop models where the loops are allowed to cross. We have characterised the phase diagram of the first family of models in two different lattices, the three-dimensional L and K lattices. The character of the phase transitions becomes first order for n>nc and we have presented a lower bound: nc>3.0(2). For n=1 and n=2 we have shown that the universality classes of the loop models are those of the class C at the Anderson transitions and the O(3) sigma model, respectively. This is compatible with the fact that the loop models can be related to a lattice field theory of the CP^{n-1} sigma models. For n=3 we have found results compatibles with a continuous phase transition for both lattices, and we have given for the first time values of the critical exponents: ν=0.536(13) and η=0.23(2). We have also characterised the loop length distribution of the extended phase and we have found that it is the Poisson-Dirichlet distribution with parameter θ=n. In the second model, for n=2 we have been able to describe a transition between the extended phase and a localised phase, the so-called U(1) phase, which crossover to a Z_4 localised phase. We have shown that this model behaves similarly to the paradigmatic models for the study of the quantum deconfinement criticality and seems to be in that universality class. We would like to emphasize that the results are compatible with a "non-standard" continuous transition or a very weak first order transition. We have proposed a candidate to show a deconfined critical point, related to SU(2) magnets, and we have studied system sizes bigger than what have been published up to date. And last, we have also studied the bidimensional loop models with crossings. We have been able to pin down the features of the so-called Goldstone phase. Particularly, we have found logarithmic behaviours in several observables: correlators, winding number, etc. In order to observe them we have developed a parallelizable transfer matrix technique which has allowed us to reach enormous system sizes. We have also studied the phase transition in these models and we have characterised the critical exponents for the first time. We have found that they are quite similar to those of the symplectic class of Anderson transition in two dimensions. We have performed the study of these loop models by numerical procedures, using several Monte Carlo algorithms. The implementation of these algorithms have been done in FORTRAN 90 with the parallelization libraries: OPENMP and MPICH. We have also developed an implementation of one of these algorithms in graphical processing units with CUDA. With this work we have given a different approach to study of several quantum phase transitions by simulating geometrical (classical) models, which allows to study system sizes bigger than other techniques.

In the quest for better and faster images of cellular and subcellular structures, biology-oriented optical microscopes have advanced significantly in the last few decades. Novel microscopy techniques such as non-linear microscopy (NLM), including two-photon excited fluorescence (TPEF) and second harmonic generation (SHG) microscopy, and light-sheet fluorescence microscopy (LSFM) are emerging as alternatives that overcome some the intrinsic limitations of standard microscopy systems. In this thesis I aimed to advance such techniques even more, and combine them with other photonic technologies to provide novel tools that would help to address complex biological questions. This thesis is organized in two main parts. The first part is dedicated to applications involving femtosecond lasers that are employed for precise microsurgery. For that, damage assessment methodologies based on NLM were developed and tested in relevant biomedical models. In the second part, wavefront engineering methods were employed to enhance the imaging capabilities of light-sheet microscopy systems. These novel methodologies were tested as well in relevant biological applications. This thesis is, therefore, organized as follows: In chapter 1, a brief and comprehensive review of the basic microscopy techniques employed in this thesis is presented, together with the challenges and achievements of this thesis in sequential order. In chapter 2, a multimodal imaging methodology for the assessment of laser induced collateral damage is presented. This was specifically developed for the control of the damage in femtosecond-laser dissection of single axons within a living Caenorhabditis elegans (C. elegans). Here, it is shown that collateral damages at the level of the myosin structure of the muscles adjacent to the axon, can be readily detected. In chapter 3, the optimized multimodal methodology developed in the chapter 2 was employed for minimally invasive dissection of axons of D-type motoneurons in C elegans. Here, a microfluidic chip for C elegans immobilization and a detailed protocol was employed to evaluate the axon regeneration of such neurons. The potential of such platform for testing drugs with regeneration-enhancing capabilities is also presented. In chapter 4, a novel use of TPEF microscopy is presented to characterize and fine tune the laser for photodisruption of excised human crystalline lens samples. In chapter 5, a thorough description of the implementation of a multimodal Digital Scanned Light-Sheet Microscope (DSLM) able to work in the linear and nonlinear regimes under either Gaussian or Bessel beam excitation schemes, is presented. The enhanced capabilities of the developed system is evaluated using in vivo C. elegans samples and multicellular tumor spheroids In chapter 6, the development of a completely new concept in light sheet-based imaging is presented. This is based on the extension of the depth-of-field of the lens in the emission path of the microscope by using wavefront coding (WFC) techniques. Furthermore, I demonstrate the application of the developed methodology for fast volumetric imaging of living biological specimens and 3D particle tracking.

Una de las tareas fundamentales de la Teor a de la Informaci on Cu antica consiste en identi car el estado en que ha sido preparado un sistema cu antico. Cuando las posibles preparaciones forman una lista nita de estados, el problema recibe el nombre de discriminaci on de estados. El caso fundamental de unicamente dos estados posibles se conoce tambi en bajo el nombre de contraste de hip otesis. Una de las caracter sticas distintivas de la teor a cu antica es el hecho de que para dos estados no ortogonales no hay medida concebible que pueda identi car el estado del sistema con certeza. El indeterminismo cu antico exige, por tanto, un enfoque probabil stico para llevar a cabo esta tarea. Habitualmente se considera que los estados posibles del sistema son conocidos para el experimentador. En esta tesis analizo el papel que desempe~ na la informaci on previa disponible en la tarea de discriminaci on y, en particular, analizo situaciones en las que dicha informaci on es incompleta. Suponiendo una total ignorancia de la identidad de los estados posibles, estudio la probabilidad de error de una m aquina programable de discriminaci on para estados de qubit. Esta m aquina incorpora la informaci on sobre los estados en forma de programas de entrada donde se introducen los sistemas cu anticos en las diferentes preparaciones. Es decir, la informaci on es utilizada en su forma genuinamente cu antica, en lugar de como una descripci on cl asica de los estados. Esta ignorancia cl asica se tiene en cuenta en el dise~no de la m aquina, la cual ya no es espec ca para cada caso, sino que es capaz de discriminar entre cualquier par de estados de qubit, una vez ha sido convenientemente programada mediante las entradas de estados cu anticos. Estudio en detalle el rendimiento optimo de estas m aquinas para estados de qubit generales cuando se dispone de un n umero de copias arbitrario, tanto de los programas como del estado que se ha de identi car. Espec camente, obtengo las probabilidades de correcta identi caci on en los esquemas usuales de error m nimo y discriminaci on no ambigua, as como en el esquema m as general de discriminaci on con margen de error. A continuaci on, este tipo de automatizaci on en tareas de discriminaci on se lleva un paso m as all a. Entendiendo una m aquina programable como un dispositivo entrenado con informaci on cu antica que es capaz de realizar una tarea espec ca, propongo una m aquina de aprendizaje cu antico para clasi car estados de qubit que no requiere una memoria cu antica para almacenar los qubits de los programas, permitiendo as repetidos usos de la m aquina sin necesidad de volver a entrenarla. Demuestro que dicha m aquina de aprendizaje es capaz de clasi car el estado de un qubit con la m nima tasa de errores admitida por la mec anica cu antica, y por tanto puede ser reusada manteniendo un rendimiento optimo. Tambi en estudio un esquema de aprendizaje similar para estados de luz coherente. Este se presenta en un contexto de lectura de una memoria cl asica mediante se~nales coherentes correlacionadas cl asicamente cuando estas son producidas por una fuente imperfecta y, por lo tanto, en un estado con un cierto grado de incertidumbre asociado. Muestro que la extracci on de la informaci on almacenada en la memoria es m as e ciente si la incertidumbre se trata de una forma completamente cu antica. Por ultimo, analizo la estructura matem atica de las medidas cu anticas generalizadas, omnipresentes en todos los temas tratados en esta tesis. Propongo un algoritmo constructivo y e ciente para descomponer cualquier medida cu antica en una combinaci on convexa estad sticamente equivalente de medidas m as simples (extremales). Estas en principio son menos costosas de implementar en un laboratorio y, por tanto, pueden ser utiles en situaciones pr acticas donde a menudo prevalece una perspectiva de recursos m nimos. / Discriminating the state of a quantum system among a number of options is one of the most fundamental operations in quantum information theory. A primal feature of quantum theory is that, when two possible quantum states are nonorthogonal, no conceivable measurement of the system can determine its state with certainty. Quantum indeterminism so demands a probabilistic approach to the task of discriminating between quantum states. The usual setting considers that the possible states of the system are known. In this thesis, I analyze the role of the prior information available in facing a quantum state discrimination problem, and consider scenarios where the information regarding the possible states is incomplete. In front of a complete ignorance of the possible states' identity, I discuss a quantum programmable discrimination machine for qubit states that accepts this information as input programs using a quantum encoding, rather than just as a classical description. This \classical" ignorance is taken into account in the design, and, as a consequence, the machine is not case-speci c but it is able to handle discrimination tasks between any pair of possible qubits, once conveniently programmed through quantum inputs. The optimal per- formance of programmable machines is studied in detail for general qubit states when several copies of the states are provided, in the main schemes of unambiguous and minimum-error discrimination as well as in the more general scheme of discrimination with an error margin. Then, this type of automation in discrimination tasks is taken further. By realizing a programmable machine as a device that is trained through quantum information to perform a speci c task, I propose a quantum learning machine for classifying qubit states that does not require a quantum memory to store the qubit programs. I prove that such learning machine classi es the state of a qubit with the minimum-error rate that quantum mechanics permits, thus allowing for several optimal uses of the machine without the need of retraining. A similar learning scheme is also discussed for coherent states of light. I present it in the context of the readout of a classical memory by means of classically correlated coherent signals, when these are produced by an imperfect source and hence their state has some uncertainty associated. I show that the retrieval of information stored in the memory can be carried out more accurately when fully general quantum measurements are used. Finally, I analyse the mathematical structure of generalized quantum measurements, ubiquitous in all the topics covered in this thesis. I pro- pose a constructive and e cient algorithm to decompose any given quantum measurement into a statistically equivalent convex combination of simpler (extremal) measurements, which are in principle less costly to implement in a laboratory. Being able to compute this type of measurement decomposi- tions becomes useful in practical situations, where often a minimum-resources perspective prevails.

Tesi realitzada en co-tutela (Universidade Federal do Rio Grande do Sul -Brasil- i Universtitat Politécnica de Catalunya) / The aluminum alloy AA2024-T3, u sed extensively in the aerospace industry, dueto the heterogeneous microstructures intentionally designed to optím ize the m echanical properties, is very susceptible to localízed corros ion. In order to preven! the corros ion several surface treatments have been investigated to replace the chromate treatment and, in thís way, sílica based films can be regarded as a promising alternatíve. The aim ofthis work ís the obtaíníng, development and characterízation offilms vinyltrímethoxysilane (VfMS) combíned wíth tetraethylorthosílícate (TEOS) or y-glycídoxypropyltrímethoxysílane in the presence and absence of ethylenedíamíne tetrametílene phosphoníc a cid (EDTPO) as pretreatments agaínst corros ion of alumínum alloy AA2024-T3 in NaCI 0.05 mol L-1. Furthermore, ít was investígated the effect of addíng clayto sol-gel hybríd matríx and sílica nanoparticles to the matrix of VfMS/GPTMS films containing EDTPO. Different ratios of precursor and silica concentrations of phosphonic acid andel ay were evaluated. The anticorrosíve properties ofthe alloycoated with the modífied sílíca films were studied using electrochemical impedance spectroscopy (El S) after different immersion times. The chemical structure ofthe films and the starting solutíons were characterízed by ínfrared spectroscopy (FT-IR), whíle the morphology and com posítion of the film s were examíned on usíng Scanníng Electron Microscopy (SEM), Energy Dispersive Spectroscopy X-Ray (E O X) and 1 or Photoelectron Spectroscopy X-Ray (XPS). The results obtained were posítive for the corros ion protectíon of AA2024 using the coatings obtaíned by the sol-gel method and modífied with phosphonic a cid. Mer optimization ofthe coatings of silica and silica/phosphonic acid we applied !he bes! systems as anticorrosíve pretreatments and adhesion promoters for one epoxy primer paínt. Accelerated corros ion tests allowed check the beneficia! action ofthe silica layer as anchoring system for the epoxy paint. lt was found that the systems composed by: silica/epoxy paint and silica + phosphonic acid/epoxy paint and silica/ epoxy paint modified with conducting polymer provide effective corros ion protection for the alloy AA2024-T3. The results deríved from the present thesis have been accepted or have been sent for publicatíon in ínternational journals and also reported in sorne international congresses, as we point below: [1] V. Dalmoro, J . H. Z. dos Santos, E. Armelin, C. Alemán, O. S. Azambuja, Phosphonic acid/silica-based films: A potential treatm en! for corros ion protection, Corros. Sci. 60 (2012) 173-180. [2] V. Dalmoro, J. H. Z. dos Santos, E. Armelín, C. Alemán, D. S. Azambuja, A synergistic combination oftetraethylorthosilicate and multiphosphonic acid offers excellent corros ion protectíon to AA1100 aluminum alloy, Appl. Surf. Sci . 273 (2013) 758-768. [3] V. Dalmoro, J . H. Z. dos Santos, l. M. I.M. Baibich, E. Armelin, C. Alemán, O. S. Azambuja Cooperatíve effect between VfMS/TEOS and phosphonic acid for corros ion protection of AA2024, Submitted, 2013. [4] V. Dalmoro, J. H. Z. dos Santos, E. Armelín, C. Alemán, D. S. Azambuja, Organosílane and Montmorílloníte-based hybríd films produced by sol-gel: A potencial treatrnent for corros ion of AA2024, Manuscript on preparation, 2013. [5] V. Dalmoro, J. H. Z. dos Santos, E. Armelin, C. Alemán, D. S. Azambuja, Characterization ofTEOS/phosphoníc acíd films, 63rd Annual Meeting of lnternatíonal Socíety of Electrochem ís try 19-24 August 2012, Prague, Chech Republíc / A liga de alumínio AA2024-T3, extensivamente empregada na indústria aeronáutica, devido as microestruturas heterogêneas intencionalmente desenvolvidas para otimizar as propriedades mecânicas é susceptível a corrosão localizada. Com o intuito de prevenir a corrosão vários tratamentos de superfície têm sido investigados para substituir o tratamento de cromatização, e os filmes a base de sílica podem ser considerados como uma alternativa promissora. O objetivo deste trabalho é a obtenção, desenvolvimento e caracterização de filmes de viniltrimetoxisilano (VTMS) combinado com tetraetilortosilicato (TEOS) ou γ-glicidiloxipropiltrimetoxisilano (GPTMS) na presença e na ausência de ácido 1,2-diaminoetanotetrametileno fosfônico (EDTPO) como pré-tratamentos contra a corrosão da liga de alumínio AA2024-T3 em NaCl 0,05 mol L-1. Além disso, foi investigado o efeito da adição de argila na matriz híbrida sol-gel e de nanopartículas de sílica na matriz VTMS/GPTMS contendo EDTPO. Diferentes razões de precursores de sílica e concentrações de ácido fosfônico e de argila foram avaliadas. As propriedades anticorrosivas da liga com os filmes foram estudadas usando espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS) após diferentes tempos de imersão. A estrutura química dos filmes e das soluções de partida foi determinada por espectroscopia de infravermelho (FT-IR), enquanto que a morfologia e composição dos filmes foram examindas através de Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV), Espectroscopia de Energia Dispersiva de Raios-X (EDX) e/ou Espectroscopia Fotoeletrônica de Raios-X (XPS). Os resultados alcançados foram satisfatórios para a proteção contra a corrosão da AA2024 utilizando os revestimentos obtidos a partir do processo sol-gel e modificados com ácido fosfônico. Após a otimização dos revestimentos de sílica e de sílica/ácido fosfônicos estes sistemas foram avaliados como pré-tratamentos anticorrosivos e promotores de adesão de pintura epóxi comercial. Ensaios acelerados de corrosão permitiram comprovar a ação benéfica da camada de sílica como sistema de ancoragem da pintura epóxi. Foi verificado que os sistemas constituídos por sílica/pintura epóxi, sílica + ácido fosfônico/pintura epóxi e sílica/pintura epóxi modificada com polímero condutor propiciam uma efetiva proteção contra a corrosão da AA2024-T3. / La aleación de aluminio AA2024-T3, que se utiliza ampliamente en la industria aeronáutica, debido a las microestructuras heterogéneas intencionadamente diseñadas para optimizar las propiedades mecánicas, es muy susceptible a la corrosión localizada. Para prevenir la corrosión diversos tratamientos de superficie han sido investigados para reemplazar el tratamiento con cromato, en este sentido las películas a base de sílice constituyen una alternativa prometedora. El objetivo de este trabajo es la obtención, desarrollo y caracterización de películas de viniltrimetoxisilano (VTMS) combinado con tetraetilortosilicato (TEOS) o γ-glicidiloxipropiltrimetoxisilano (GPTMS) en presencia y ausencia de ácido etilendiamina tetrametilenofosfônico (EDTPO) como tratamientos previos contra la corrosión de la aleación de aluminio AA2024-T3 en NaCl 0,05 mol L- 1. Por otro lado, se investigó el efecto de la adición de arcilla en la matriz híbrida y la presencia de nanopartículas de sílice a la matriz sol-gel VTMS/GPTMS que contienen EDTPO. Se evaluaron diferentes proporciones de concentraciones de sílice y precursores de ácido fosfónico y arcilla. Las propiedades anticorrosivas de la aleación recubierta con los filmes de sílice modificados se estudiaron mediante espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS) después de diferentes tiempos de inmersión. La estructura química de los filmes y de las soluciones de partida se caracterizaron por espectroscopia de infrarrojo (FT-IR), mientras que la morfología y la composición se examinaron por microscopía electrónica de barrido (SEM), espectroscopia de energía dispersiva de rayos-X (EDX) y/o espectroscopia de fotoelectrones de rayos-X (XPS). Los resultados obtenidos son positivos para la protección contra la corrosión del AA2024-T3 con el uso de los recubrimientos preparados con el método sol-gel y modificado con ácido fosfónico. Después de la optimización de los recubrimientos de sílice y sílice/ácido fosfónico, se aplicó los mejores sistemas como tratamientos anticorrosivos y promotores de la adherencia de una pintura epoxi de imprimación. Los ensayos de corrosión acelerados permitieron comprobar la acción beneficiosa de la capa de sílice como sistema de anclaje de la pintura epoxi. Se encontró que los sistemas compuestos por: la sílica/pintura epoxi, sílica + ácido fosfónico/pintura epoxi y sílica/pintura epoxi modificada con polímero conductor proporcionan una protección eficaz contra la corrosión de la aleación AA2024-T3.

En las nuevas aplicaciones basadas en sistemas ferroicos a menudo se consideran las paredes de dominio como portadores de la información. Asimismo, la necesidad de satisfacer la ley de Moore requiere una reducción drástica de las dimensiones de los dispositivos a comercializar. Aunque ya existen métodos para estudiar la dinámica de los dominios a nanoescala, éstos son muy lentos y caros, además es muy complicado medir las propiedades magnéticas y eléctricas simultáneamente. Esto crea la necesidad de un método intermedio que ofrezca resolución lateral submicrométrica y cortos tiempos de medición y que, al mismo tiempo, proporcione suficiente información sobre todas las propiedades ferroicas de un sistema. Para solucionar este problema, hemos desarrollado varios métodos ópticos que amplían las posibilidades de caracterización multiferroica. Por un lado, hemos desarrollado un montaje experimental magneto-óptico Kerr que permite trabajar bajo campos eléctricos aplicados in-situ en un rango de frecuencias ajustables. Mediante esta aproximación experimental, hemos podido separar y cuantificar diferentes contribuciones al acoplamiento magnetoeléctrico (mediado por tensión superficial y/o por efectos de superficie) y hemos podido analizar su dinámica específica por separado. Por otro lado, hemos podido obtener una cartografía directa del acoplamiento magnetoeléctrico con una resolución lateral submicrónica, mediante al desarrollo de un microscopio confocal sensible a la polarización de la luz. En experimentos realizados en BTO / LSMO se observaron cambios inducidos por un campo magnético en la respuesta ferroeléctrica en torno al 50% en promedio, con variaciones de hasta un 20 %. Finalmente, hemos estudiado r el origen del aumento de la respuesta magneto-óptica a frecuencias resonantes con plasmones en cristales magnetofotónicos. Estos resultados abren nuevas perspectivas en dispositivos basados en la física de plasmones, con aplicaciones en comunicaciones ópticas y en detección. En esta línea, hemos desarrollado un marco teórico unificado que permite modelar las señales magnetoópticas de soluciones coloidales en un rango amplio de frecuencias en el visible. El modelo que proponemos muestra una excelente concordancia con los datos medidos experimentalmente en soluciones coloidales de nanopartículas de níquel en hexano y en tolueno, utilizando solamente las propiedades ópticas tabuladas de los materiales, sin ajustar ningún parámetro. Estos resultados abren nuevas perspectivas en materiales compuestos metal/dieléctrico, para dispositivos innovadores basados en plasmones, que explotan la polarización de la luz en vez de los cambios en reflectancia óptica. / New applications of ferroic systems often consider domain wall as carrier of information. Understanding of the nature of domain structure and its dynamics is therefore essential. At the same time the omnipresent need of keeping up with Moore law demands the dimensions of commercialized devices to decrease drastically. Hence the resolution of classical optical Kerr microscopy does not suffice anymore. Methods for studying domain dynamics at nanoscale are available, but are very time consuming and expensive. It’s extremely complicated to measure both magnetic and electric properties simultaneously. This creates a need for an intermediate method that offers sub-micron lateral resolution and short measurement times, yet produces enough information about all ferroic properties of a system. To address this issue we developed several optical methods that expand the possibilities of multiferroic characterization. An electric field frequency spectrum magneto-optical Kerr effect setup allows for an effective separation and quantification of surface and strain mediated magnetoelectric coupling effects as demonstrated on Co/ lead zirconate titanate (PZT) ferroic multilayers. Direct electro-magnetic domain mapping with sub-micron lateral resolution was made possible with cryostat ready polarization sensitive confocal microscope. Magnetic field induced changes in ferro-electric response around 50% with 20% variations were observed on barium titanate (BTO)/ lanthanum strontium manganite (LSMO) structure. Furthermore, enhancements to magneto-optical Kerr-effect (MOKE) spectroscope enabled study of the origin of magneto-optical enhancement at plasmonic frequencies in magneto-photonic crystals. This paves the way to plasmon-devices with optimal performance for applications in optical communications and sensing. In this line, we developed a unified theoretical frame for modeling of both saturating and non-saturating magneto-optical effects in diluted colloidal dispersions of magnetic nanoparticles. The model shows remarkably good agreement with experimental data obtained from nickel nanoparticles in hexane and toluene using only tabulated data and no fitting. Hence we can envision the use of optimized hybrid metal/ dielectric composites as platforms for new optical devices and especially for innovative plasmon-based sensors exploiting light polarization instead of reflectance.