Tesi realitzada en co-tutela (Universität des Saarlandes i Universitat Politècnica de Catalunya) / One promising approach for future quantum networks is the combination of strings of trapped ions as quantum-information processors with entangled photon pairs produced by spontaneous parametric down conversion (SPDC) to establish quantum communication links between distant processing units. This work reports on experiments using a hybrid quantum-optics set-up, comprising two separate linear ion traps and a resonant SPDC photon-pair source. It demonstrates the controlled interaction of single entangled photon pairs with a single trapped 40Ca+ ion. Preparing the ion as polarization selective absorber in the main polarization bases allows for the reconstruction of the biphoton quantum state, manifesting the photon entanglement in the absorption process. Beyond that, the thesis documents the implementation of additional experimental tools enabling quantum state transfer experiments from photons to single ions. A dedicated narrowbandwidth laser system is set up, laser sequences are developed for state discrimination and state rotations of ion qubits, and for the creation and characterization of coherent superposition states, of particular importance for state-transfer schemes. Finally, detection efficiencies of single Raman photons emitted by an ion are characterized with a well controlled single-photon source, and absorption probabilities of single photons are determined with a calibrated laser beam, providing precise values to assess efficiencies for different transfer scenarios. / Un enfoque prometedor para futuras redes cuánticas es la combinación de iones atrapados con pares de fotones entrelazados que se generan por el proceso SPDC (Spontaneous Parametric Down Conversion). Los iones atrapados se utilizarán como procesadores de información cuántica. Los pares de fotones permitirán el establecimiento de enlaces de comunicación cuántica entre unidades de procesamiento distantes. En el transcurso de este trabajo, que se situa en el marco de la óptica cuántica, se han combinado dos implementaciones experimentales independientes para la realización de un experimento híbrido. Las dos partes del experimento corresponden con dos trampas de iones lineales separadas y con una fuente de pares de fotones resonantes creados por SPDC. En este experimento se demuestra la interacción controlada de pares de fotones individuales entrelazados con un ión atrapado individual de 40Ca+. La preparación del ión como absorbente selectivo de polarización en las bases de polarización principales permite la reconstrucción del estado cuántico de los pares de fotones, manifestando así su entrelazamiento a través del proceso de absorción. Además, en la tesis presente se documenta la implementación de herramientas experimentales adicionales que permitirán experimentos de transferencia de estados cuánticos de fotones a iones individuales. Así mismo, se describe el montaje de un sistema láser acondicionado con ancho de banda estrecho. Adicionalmente, se desarrollan secuencias de láser para la discriminación y la rotación de estados de qubits de iones y, para la creación y caracterización de estados de superposición coherente, especialmente importantes para varios esquemas de transferencia de estado. Por último, se caracterizan las eficiencias de detección de fotones individuales Raman emitidos por un ión con una fuente de fotones individuales bien controlada, así como también se determinan las probabilidades de absorción de fotones individuales con una fuente láser calibrada. Los valores precisos obtenidos servirán para la evaluación de la eficiencia de diferentes esquemas de transferencia. / Ein mögliches System für zukünftige Quantennetzwerke ist die Verknüpfung gefangener Ionen als Quanteninformationsprozessoren mit durch SPDC (Spontaneous Parametric Down Conversion) erzeugten verschränkten Photonenpaaren zum Aufbau von Quantenkommunikationskanälen. Diese Dissertation behandelt Experimente an einem hybriden Quantenoptikaufbau, bestehend aus zwei separaten linearen Ionenfallen und einer SPDC-Photonenpaarquelle. Sie zeigt die kontrollierte Wechselwirkung einzelner verschränkter Photonenpaare mit einem einzelnen 40Ca+ Ion. Durch Präparation des Ions als polarisationsselektiven Absorber in den drei Hauptpolarisationsbasen, wird der Zwei-Photonen-Quantenzustand rekonstruiert und somit über den Absorptionsprozess die Verschränkung der Photonenpaare nachgewiesen. Überdies dokumentiert die Arbeit die Einrichtung zusätzlicher Methoden, welche den Zustandstransfer von Photonen auf einzelne Ionen ermöglichen. Ein schmalbandiges Lasersystem wird aufgebaut, Lasersequenzen für Zustandsbestimmung und Zustandsrotationen von Ionen-Qubits und zur Erzeugung und Charakterisierung kohärenter Superpositionszustände werden entwickelt. Ferner werden mit Hilfe einer Einzelphotonenquelle Nachweiseffizienzen für einzelne, von einem Ion erzeugte, Raman-Photonen gemessen und Absorptionseffizienzen einzelner Photonen mit einer kalibrierten Laserquelle charakterisiert. Die ermittelten Werte bilden eine solide Grundlage zur Abschätzung von Erfolgswahrscheinlichkeiten geplanter Transferschemata.

Almost two centuries after the first observations of Robert Brown, the study of systems ruled by noise has become a significant part of modern physics and other so diverse situations, such as the stock market, personal networks, ecosystems, etc. In particular, we focus on the so-called small systems, where the thermal fluctuations determine the dynamics and energetics of the system. Examples of this scale are biopolymers, such as DNA or RNA, molecular motors, living cells or colloidal particles in suspension. As the energy exchanges between a small system and its environment are of the order of magnitude of thermal fluctuations, apparent violations of the classical laws of thermodynamics appear. We have studied the role of noise in biological and physical systems. As the main experimental tool we have used the optical tweezers technique, which allows one to exert forces in the pN range, as well as to spatially confine the studied objects improving the accuracy of the experiments. A highly focused laser beam creates a time and space controllable optical potential profile. This permitted to investigate noise assisted effects in different scenarios. Two biological systems were considered, namely, single DNA molecule and single bacterium. We showed that the motion of the stretched DNA molecule in the entropic regime (forces below 5 pN) includes an additional noisy component whose spectral power is proportional to 1=f . The presence of this noise may be related with changes of the probability of folding and unfolding events when the DNA strand is extended. On the other hand, we studied the trajectory of single bacteria, whose motion includes inherently noisy components. Using a novel technique with only one optical trap we measured the dynamics of a trapped single bacterium S. enterica. We found that the trajectory within a single trap can reveal the different behavior of the samples. In addition to the validation of our technique, we have characterized the phenotype of mutant cheV in anaerobic conditions. In the second part of the thesis, we studied stochastic thermodynamic using a micron-sized dielectric sphere.The control of the temperature in such experiments has a key importance to understand the energetics of the small systems. We suggested a novel technique to control the kinetic temperature of a sphere by applying of an external force with the same power spectral density (PSD) as one of the thermal noise. We experimentally tested our hypothesis in equilibrium, measuring the position histogram and PSD of the microsphere, and out of equilibrium, implementing a protocole to test Crooks theorem. We conclude that our technique allows one to control the kinetic temperature of a Brownian particle over a wide range of values, from room temperature to several thousand Kelvin with high temporal accuracy. The most obvious application of this technique is the realization of nonisothermal processes. Among them, an adiabatic process is essential although controversial in small systems. We study its meaning in a colloidal particle experiment, paying attention to the consequences of the overdamped approximation. Finally, we could realize for the first time the Carnot cycle, using a colloidal particle in a liquid as a working substance. The effect of the thermal bath is also present in the thermodynamics of information. In the last chapter, we considered the derivation of an universal equivalence between the energetics of a process and the probability of a system to choose it among other options. The obtained expression can be considered a generalization of the Landauer limit. We tested our theory in an experiment where a continuous transition from a single well to a double well potential produces a symmetry breaking affecting a Brownian particle. Moreover, combining two of the process, we were able to achieve the first realization of a Szilard engine based on symmetry breaking and symmetry restoration. / Casi dos siglos después de la observación de Robert Brown, el estudio de sistemas gobernados por ruido se ha convertido en una parte significativa de la física moderna. Con el objetivo de obtener información, y de tratar de predecir, sistemas complejos, se han trazado analogías en situaciones muy diversas, tales como el mercado de valores, las relaciones interpersonales, los ecosistemas, etc. En particular, si nos detenemos en los denominados como sistemas pequeños, podemos observar como las fluctuaciones térmicas determinan su dinámica y su energética. Al tratarse de sistemas cuyos intercambios de energía con el entorno son del orden de magnitud de las fluctuaciones, podemos observar aparentes violaciones de las leyes clásicas de la termodinámica. Ejemplos de esta escala son las diversas biomoléculas como el ADN o el ARN, los diversos motores moleculares o una célula en su conjunto, pasando por partículas coloidales en suspensión. Para el estudio de los sistemas mesoscópicos, hemos usado la técnica de la pinza óptica, la cual nos permite ejercer fuerzas del orden de picoNewtons con resolución nanométrica. Por medio de un haz fuertemente enfocado, podemos crear un potencial óptico donde objetos con índice de refracción mayor que el del medio son atrapados. En esta tesis hemos estudiado el rol del ruido en sistemas biológicos y en sistemas físicos. En primer lugar, observamos que la dinámica estacionaria de una molécula individual de ADN en el régimen entrópico (fuerzas por debajo de 5 pN) muestra una componente espectral que sigue una ley de potencias 1=f . Por otra parte, también estudiamos la trayectoria de bacterias bajo una única trampa óptica. La bacteria elegida fue la Salmonella enterica, en diversas mutaciones para poder fijar su fenotipo. En particular, además de validar la técnica, caracterizamos el fenotipo del mutante cheV en condiciones anaeróbicas. El control de la temperatura en experimentos de partículas coloidales es de una importancia clave para completar la energética de los sistemas pequeños. A pesar de que existen métodos para variar la temperatura del fluido, estos cambios están siempre acotados por límites físicos, como evaporación, y sufren de inconvenientes, como convección y cambios de la viscosidad del fluido, que impiden un estudio cómodo de los procesos no isotermos. Enunciamos una hipótesis muy sencilla: nuestra partícula coloidal es incapaz de diferenciar entre el ruido térmico y un fuerza externa de la misma naturaleza. Comprobamos que nuestra hipótesis es correcta en equilibrio y no equilibrio, por medio del estudio del histograma de posiciones, del PSD e implementando un protocolo donde poder estudiar el teorema de Crooks. La aplicación más obvia de esta técnica es la realización de procesos noisotermos. Dentro de ellos, es imprescindible la aproximación al concepto de adiabaticidad, tan presentes en la termodinámica clásica. Siendo imposible rodear de paredes adibáticas nuestro sistema, desarrollamos los diversos protocolos sugeridos durante los últimos 10 años en la literatura. Como colofón, desarrollamos el primer ciclo de Carnot experimental con partículas coloidales. El efecto del baño térmico también se encuentra presente en la termodinámica de la información. En el último capítulo de la tesis, desarrollamos una expresión analítica que relaciona la probabilidad de llevar a cabo un proceso con la energía que se puede extraer del baño térmico durante el mismo. Esta expresión puede considerarse una generalización del principio de Landauer. Gracias a la flexibilidad que nos presta el AOD para generar potenciales ópticos, comprobamos la relación con un experimento con partículas coloidales. Para terminar, presentamos un motor de Szilard con partículas coloidales, el cual permite obtener trabajo del baño térmico a través de la información disponible sobre el sistema.

Domestic architecture is the nerve centre within which human development takes place. Based on that premise, the evolution of spatial perception and the concept of intimacy in human dwellings throughout history are investigated. In order to improve domestic life, it is necessary to construct a multisensory architecture, although nowadays more value is placed on the visual, it must be specified that touch and sounds stimuli have a great im pact. This thesis focuses on the study of sound behaviour in the context of domestic architecture, considering that architecture creates barriers which modify sound waves and acts like a musical instrument which transforms these sounds giving them a special character, thus creating an acoustic environment which conditions our behaviour. To evaluate this behaviour the analysis begins with the parameters of interior acoustic quality. The special characteristics of bathrooms are examined and possible strategies are proposed to explore further acoustic response guidelines for the architectural environment. The investigation in based on the previous study of the parameters of spatial quality and the intimacy allocated to larger spaces. Furthermore, the initial hypothesis is that for human dwellings, unlike larger spaces, the transmission of sound between adjoining spaces of the dwelling and the exterior is necessary. The proposed parameters aim to evaluate the degrees of contrast of finishes in the dwelling's interior, and the ability of separations from adjoining spaces to filter sound. The proximity of surfaces surrounding the source of sounds and their users will be calculated, given that these will offer the most significant response to sound. This is done to obtain maximum spatial quality and acoustic comfort. These variables will serve as a reference to facilitate interior acoustic improvements and the specification of boundaries between different spaces. The proposal is that the investigation into architectural design and acoustic quality of bathrooms can be applied to other spaces in the home and even within the workplace. Finally, in the development of this thesis a proposal for a door is made based on various experiments. This proposal is made, having analysed the acoustic characteristics of built spaces and the quality required . lt was essential to create an element that acted as an enclosure with sufficient insulation, thus maintaining a certain degree of intimacy. Furthermore the prototype developed should allow the required ventilation for domestic sanitary conditions and assuring a good balance of sound between the interior and exterior space. The objective is, based on the points discussed in this thesis, to contribute to good construction practises so as to achieve a good perception of sound and to improve the quality of built spaces in domestic architecture. / La arquitectura doméstica es un lugar neurálgico para nuestro desarrollo personal. Está pensada por y para las personas. Las experiencias personales e interpersonales que se producen en el habitáculo interactúan con las impresiones recibidas mediante todos nuestros sistemas sensoriales. Para mejorar la vida doméstica es preciso construir una arquitectura multisensorial. La modalidad sensorial más valorada actualmente es la vista, aun así el tacto y los estímulos sonoros tienen mucha fuerza corpórea. Por ello en esta investigación pretendo indagar en la percepción auditiva, puesto que los sonidos nos vinculan directamente con la arquitectura y permiten al oyente identificar el espacio en el que se encuentra. La arquitectura modifica el recorrido de las ondas sonoras y actúa como un instrumento musical que moldea los sonidos, les confiere un carácter especial y de esta forma generan un ambiente sonoro que condiciona nuestra conducta. Me sumerjo en los espacios más pequeños y domésticos para intentar sacar algún parámetro que pueda valorar algún aspecto de la calidad. Para desmenuzarlo empiezo en la investigación de la tesis con un capítulo de análisis de la propia percepción de la persona, ya que es la base. En el segundo capítulo, describo arquitectónicamente estos espacios analizando sus cerramientos, su geometría y sus acabados. El tercer capítulo me sirve para explorar cómo se puede valorar de forma objetiva la calidad acústica buscando el fundamento en la percepción y en el espacio donde nos encontramos. Pretendo obtener un parámetro que indique el comportamiento arquitectónico sonoro. Uno de los requerimientos de las grandes salas es el aislamiento acústico máximo con el exterior porque el usuario tiene su atención auditiva dirigida a una única actividad. Para mejorar la calidad acústica en un espacio doméstico se requiere cierto aislamiento para proteger la intimidad acústica, sin embargo también se debe permitir cierta comunicación con el entorno. Para profundizar en la calidad acústica de los baños analizo sus características particulares y propongo las posibles estrategias para conseguir establecer unas pautas de análisis del diseño arquitectónico. Esta metodología debe servir de referencia para facilitar el acondicionamiento acústico interior y la delimitación del contorno de las diferentes estancias. Pretendo que el estudio del diseño arquitectónico y de la calidad acústica de los baños se pueda replicar al resto de recintos del ámbito doméstico, incluso a las oficinas de una misma entidad. Por último, en la redacción de la tesis hay un cuarto capítulo que es una propuesta basada en experimentos. Esta propuesta se crea después de haber analizado las características acústicas de los recintos y sus necesidades de calidad. Lo importante era hacer un elemento actuara como cerramiento específico, que aislara suficientemente de forma que se mantuviera cierto grado de intimidad. Además el prototipo que propongo también debe permitir la ventilación debido a la exigencia doméstica de salubridad, asegurando el equilibrio entre el interior y el exterior. Con todos estos puntos tratados pretendo incidir en la buena práctica constructiva con el objetivo de conseguir una buena percepción acústica y mejorar la calidad de los recintos de las viviendas

The aim of this work is to develop, implement and validate a technique for information transfer, in the domain decomposition methods, able to address coupled thermomechanical problems, with mixed displacement-pressure formulations. In the domain partitioning techniques, once divided a domain into a finite number of subdomains, the discretization of each subdomain component is carried out by known techniques, in this case, by the Finite Elements Method, thus, the problem lies in the correct transfer of information through the contact interface between the partitions. Many existing domain decomposition techniques enforce the coupling of triangulations across subdomains boundaries, by a partition-frame. In this work, an interface of the same dimension of the partitions is created by a simple Delaunay triangulation, this interface can be interpreted as a fictive intermediate region connecting the subdomains, which gives the method, accuracy, robustness, versatility and ability of coupling subdomains with not-matching meshes. When partitioning a domain into subdomains, one can generate the so-called floating subdomains, which are those without sufficient boundary conditions to eliminate rigid body motions. To carry out numerical simulations with the presence of floating subdomains, this work propose a new technique, low computational cost and minimally invasive that calculates robustly the pseudoinverse of the floating subdomain. In this work we demonstrate that the proposed technique, unlike some alternative methods, pass the patch test successfully, even, when there are not-matching subdomains and floating subdomains. Additionally, it has been shown from analysis of convergence and error measurements, that the results obtained by the proposed method, are comparable in terms of accuracy and speed of convergence with alternative methods incorporating a partition-frame between subdomains, and even have remarkable advantages at level precision when is compared with the coarse mortar mesh method. Knowing that the connection between subdomains is accomplished by incorporating Lagrange multipliers on the interface, to carry out simulations with mixed displacement-pressure formulations, we had to include a pressure Lagrange multiplier and their virtual work principle equations and constraint variational equations on the interface. From a validation test and analysis of convergence, it has been shown that the incorporation of this parameter is critical to achieve a good accuracy level and to obtain a correct transfer of pressure variable through interface. Similarly, to address numerical simulations of coupled thermomechanical problems, we had to include the temperature Lagrange multiplier and their respective work principle equations and constraint variational equations on the interface, showing, by a validation test, that even in metal forming problems wherein the material undergoes high plastic deformation, the proposed domain partitioning technique achieves results in robustness and accuracy comparable with monolithic numerical simulations. In order to use the proposed method in the context of parallel computing, the technique has been implemented such that each subdomain can be processed independently. It is for this reason that we have used the substructures method for calculating the variables (displacement, pressure and temperature). / Este trabajo de investigación tiene como objetivo principal, desarrollar, implementar y validar una técnica de transferencia de información, en los métodos de descomposición de dominios, capaz de abordar problemas termomecánicos acoplados con formulaciones mixtas desplazamiento-presión. En las técnicas de partición de dominios, una vez dividido un dominio en un número finito de subdominios, la discretización de cada uno de los componentes internos o subdominios, se lleva a cabo mediante técnicas conocidas, en este caso, mediante la técnica de los Elementos Finitos, con lo cual, el problema se centra en la correcta transferencia de información a través de la interfaz de contacto entre las particiones. En la mayoría de los métodos alternativos de descomposición de dominios, la interfaz entre subdominios se genera mediante la creación de un marco de partición. En este trabajo por el contrario, se propone la generación de una malla de interfaz, de espesor nulo entre fronteras, por degeneración de una triangulación de Delaunay. Esta forma tan sencilla de generar la interfaz le confiere al método, además de precisión y robustez, versatilidad, ya que las mallas de los subdominios pueden ser arbitrariamente no coincidentes en sus fronteras, con lo cual, no se está supeditado a utilizar la misma discretización en cada una de las particiones, ni el mismo tipo de elementos en cada subdominio. Al particionar un dominio en subdominios, se pueden generar los denominados subdominios flotantes, que son aquellos que carecen de las condiciones de contorno suficientes para eliminar los movimientos de sólido rígido. Para poder llevar a cabo simulaciones numéricas con la presencia de subdominios flotantes, en este trabajo se propone una técnica innovadora, de bajo coste computacional y mínimamente invasiva a nivel de implementación, que permite calcular de forma robusta la pseudoinversa del subdominio flotante. Se demuestra, que la técnica propuesta, a diferencia de algunos métodos alternativos, pasa el ¿patch test¿ de forma satisfactoria, aun y cuando existen subdominios flotantes y mallas no coincidentes. Adicionalmente, se ha demostrado a partir de análisis de convergencia y medidas del error, que los resultados obtenidos mediante el método propuesto, son comparables, a nivel de precisión y velocidad de convergencia, con métodos alternativos que incorporan un marco de partición entre subdominios y que incluso, puede presentar ventajas notables a nivel de precisión, al ser comparada con el método de mortero de malla burda. Tomando en cuenta que la conexión entre subdominios se lleva a cabo mediante la incorporación de multiplicadores de Lagrange sobre la interfaz, para llevar a cabo simulaciones mixtas desplazamiento-presión, se ha incorporado el multiplicador de Lagrange de las presiones y sus respectivas ecuaciones de trabajo y restricciones sobre la interfaz. Mediante un test de validación, estudios de convergencia y medidas del error, se ha demostrado que la incorporación de este parámetro es fundamental a nivel de precisión, para llevar a cabo una correcta transferencia de la variable presión a través de la interfaz. De la misma manera, para poder abordar simulaciones numéricas de problemas termomecánicos acoplados, se ha incorporado el multiplicador de Lagrange de la temperatura y sus respectivas ecuaciones de trabajo y restricciones sobre la interfaz, demostrándose, mediante un test de validación, que incluso en problemas de conformado de metales en donde el material sufre altos niveles de deformación plástica, la técnica propuesta de partición de dominios consigue obtener resultados comparables en robustez y precisión con simulaciones numéricas monolíticas. Con el fin de utilizar el método propuesto en el contexto del cálculo en paralelo, se ha implementado la técnica, tal que, cada subdominio pueda ser procesado independientemente.Es por esta razón que se ha utilizado el método de las subestructuras para el cálculo de las variables

This thesis focuses on the control of a singing voice synthesizer to achieve natural expression similar to a real singer. There are many features that should be controlled to achieve natural expression related to melody, dynamics, rhythm, and timbre. In this thesis we focus on the control of pitch and dynamics with a unit selection-based system, two statistically-based systems, and a hybrid system. These systems are trained with two possible expression databases that we have designed, recorded, and labeled. We define the basic units from which the databases are built of, which are basically sequences of three notes or rests. Our perceptual evaluation compares the proposed systems with other systems to see how these relate to each other. The objective evaluation focuses on the algorithms efficiency. / Aquesta tesi es centra en el control dels sintetitzadors de veu cantada per aconseguir una expressivitat natural semblant a la d'un cantant real. Hi ha moltes característiques que s'haurien de controlar per aconseguir una expressivitat natural relacionades amb la melodia, la dinàmica, el ritme i el timbre. En aquesta tesi ens centrem en el control de la freqüència fonamental i de la dinàmica amb un sistema basat en selecció d'unitats, dos sistemes estadístics, i un sistema híbrid. Aquests sistemes són entrenats amb dues possibles bases de dades expressives que hem dissenyat, enregistrat i etiquetat. Hem definit les unitats bàsiques a partir de les quals les bases de dades s'han construit i que són seqüències de tres notes o silencis. La nostra avaluació perceptual compara els sistemes proposats amb altres sistemes per tal de veure com els podem relacionar. L'avaluació objectiva es centra en l'eficiència dels sistemes.

Due to the increasing interest in space exploration, management of two-phase flows in the absence of gravity has become a key aspect in improving the efficiency of technological applications for space missions. Understanding of two-phase flows is essential in the development of future applications and for the improvement of existing ones, not only in microgravity, but also in hypergravity conditions. In this thesis, the effects of external factors such as high and low frequency vibrations, or rotations on two-phase flows are addressed, when these systems are at different gravity levels. A series of experimental setups were developed in order to explore a wide range of phenomena occurring at different gravity levels. The effects of pressure fields on micron-sized particles in the levitation plane of an acoustic field are discussed. Furthermore, an analysis of the motions of two isolated particles is provided and a method to determine the forces between them is presented. The method allows us to experimentally obtain the order of magnitude of the forces, as well as indirectly provide a measurement of the acoustic pressure inside a micro-channel. Two microgravity experiments adapted to a sub-orbital vehicle were designed and built in order to examine the effects of low frequency vibrations and rotation in two-phase flows. This thesis will further analyse the effects observed in bubbles in different liquids. Bubble shape oscillations have been observed at low vibration frequencies, even though bubble dynamics are affected by the walls of the cell. After vibrations were turned off, the aspect ratio of a bubble in high viscosity fluid decays exponentially. Bubble break-up has been observed in the case of lower surface tension and lower viscosity. Focusing on the distribution of the air bubbles during high and low rotation rates, an analysis is presented on the effects on a low surface tension fluid. An investigation is presented on the injection trajectory of bubbles during rotation showing a reasonable agreement with analytical predictions. The detachment and rise of bubbles and bubble trains while an acoustic field is applied in hypergravity conditions are also addressed. Different effects have been observed in this experiment. Focusing on detachment, we provide an expression for estimating the detachment diameter when an acoustic field is applied. In addition, the effect of bubble trains on terminal velocity is discussed. A numerical analysis is also presented and compared to the experimental data. / Degut a l'increment en l'interès per l'exploració espacial, la gestió de fluids bifàsics en absència de gravetat ha esdevingut un tema clau per la millora de l'eficiència d'aplicacions tecnològiques per a missions espacials. Arribar a entendre els fluids bifàsics és important per al desenvolupament de futures aplicacions i per la millora de les ja existents, no només en condicions de microgravetat sinó també en condicions d'hipergravetat. En aquesta tesi es tracten els efectes que tenen factors externs com vibracions d'alta i baixa freqüència o rotacions, sobre fluids bifàsics, quan aquests es troben en diferents nivells de gravetat. S'han desenvolupat una sèrie de muntatges experimentals per a explorar els diferents fenòmens que succeeixen a diferents nivells de gravetat. S'analitzen els efectes que tenen els camps de pressió sobre partícules micromètriques en el pla de levitació d'un camp acústic. A més, s'analitza el moviment de dues partícules aïllades i es presenta un mètode per a determinar les forces entre elles. Aquest mètode permet obtenir experimentalment l'ordre de magnitud de les forces, així com obtenir indirectament la mesura de la pressió del camp acústic dins del micro canal. S'han dissenyat i muntat dos experiments de microgravetat adaptats a un vehicle suborbital, per estudiar els efectes de vibracions de baixa freqüència i rotació sobre fluid bifàsics. Es presenta una anàlisi dels efectes observats sobre les bombolles. S'han observat oscil·lacions de forma de les bombolles amb vibracions de baixa freqüència, tot i que la dinàmica es veu afectada per les parets de la cavitat. Després d'aturar la relació d'aspecte d'un fluid d'alta viscositat decreix exponencialment. També s'ha observat trencament de la bombolla, en el cas de baixa tensió superficial i baixa viscositat. Pel que fa a rotació, es fa un anàlisis dels efectes que té sobre un fluid de baixa tensió superficial, centrant-nos en la distribució de bombolles d'aire quan la velocitat de rotació és més alta o més baixa. S'estudia la trajectòria de les bombolles injectades durant la rotació, mostrant concordança amb prediccions analítiques. Per últim, abordem el desenganxament i l'ascens de bombolles i trens de bombolles, mentre apliquem un camp acústic en condicions d'hipergravetat. Durant els experiments s'han observat diferents efectes. Mirant el desenganxament, donem una expressió per estimar el diàmetre de la bombolla quan es desenganxa quan s'està aplicant un camp acústic. A més, es discuteixen els efectes sobre trens de bombolles. També es presenta una anàlisi numèric i es compara amb les dades obtingudes experimentalment.

Geometrical physics is a relatively young branch of applied mathematics that was initiated by the 60's and the 70's when A. Lichnerowicz, W.M. Tulczyjew and J.M. Souriau, among many others, began to study various topics in physics using methods of differential geometry. This "geometrization" provides a way to analyze the features of the physical systems from a global viewpoint, thus obtaining qualitative properties that help us in the integration of the equations that describe them. Since then, there has been a strong development in the intrinsic treatment of a variety of topics in theoretical physics, applied mathematics and control theory using methods of differential geometry. Most of the work done in geometrical physics since its first days has been devoted to study first-order theories, that is, those theories whose physical information depends on (at most) first-order derivatives of the generalized coordinates of position (velocities). However, there are theories in physics in which the physical information depends explicitly on accelerations or higher-order derivatives of the generalized coordinates of position, and thus more sophisticated geometrical tools are needed to model them acurately. In this Ph.D. Thesis we pretend to give a geometrical description of some of these higher-order theories. In particular, we focus on dynamical systems and field theories whose dynamical information can be given in terms of a Lagrangian function, or a Hamiltonian that admits Lagrangian counterpart. More precisely, we will use the Lagrangian-Hamiltonian unified approach in order to develop a geometric framework for autonomous and non-autonomous higher-order dynamical system, and for second-order field theories. This geometric framework will be used to study several relevant physical examples and applications, such as the Hamilton-Jacobi theory for higher-order mechanical systems, relativistic spin particles and deformation problems in mechanics, and the Korteweg-de Vries equation and other systems in field theory. / La física geomètrica és una branca relativament jove de la matemàtica aplicada que es va iniciar als anys 60 i 70 qua A. Lichnerowicz, W.M. Tulczyjew and J.M. Souriau, entre molts altres, van començar a estudiar diversos problemes en física usant mètodes de geometria diferencial. Aquesta "geometrització" proporciona una manera d'analitzar les característiques dels sistemes físics des d'una perspectiva global, obtenint així propietats qualitatives que faciliten la integració de les equacions que els descriuen. D'ençà s'ha produït un fort desenvolupamewnt en el tractament intrínsic d'una gran varietat de problemes en física teòrica, matemàtica aplicada i teoria de control usant mètodes de geometria diferencial. Gran part del treball realitzat en la física geomètrica des dels seus primers dies s'ha dedicat a l'estudi de teories de primer ordre, és a dir, teories tals que la informació física depèn en, com a molt, derivades de primer ordre de les coordenades de posició generalitzades (velocitats). Tanmateix, hi ha teories en física en les que la informació física depèn de manera explícita en acceleracions o derivades d'ordre superior de les coordenades de posició generalitzades, requerint, per tant, d'eines geomètriques més sofisticades per a modelar-les de manera acurada. En aquesta Tesi Doctoral ens proposem donar una descripció geomètrica d'algunes d'aquestes teories. En particular, estudiarem sistemes dinàmics i teories de camps tals que la seva informació dinàmica ve donada en termes d'una funció lagrangiana, o d'un hamiltonià que prové d'un sitema lagrangià. Per a ser més precisos emprarem la formulació unificada Lagrangiana-Hamiltoniana per tal de desenvolupar marcs geomètrics per a sistemes dinàmics d'ordre superior autònoms i no autònoms, i per a teories de camps de segon ordre. Amb aquest marc geomètric estudiarem alguns exemples físics rellevants i algunes aplicacions, com la teoria de Hamilton-Jacobi per a sistemes mecànics d'ordre superior, partícules relativístiques amb spin i problemes de deformació en mecànica, i l'equació de Korteweg-de Vries i altres sistemes en teories de camps.

The data revolution experienced by social science has revealed complex patterns of interactions in human dynamics, such as the heterogeneity and burstiness of social contacts. The recently uncovered temporal dimension of social interactions calls for a renewed effort in analysis and modeling of empirical time-varying networks. This thesis contributes to pursue this program, through a twofold track: The modeling of dynamical social systems and the study of the impact of temporally evolving substrates on dynamical processes running on top of them. Firstly, we introduce some basic concepts and definition of time-varying networks formalism, and we present and analyze some empirical data of face-to-face interactions, discussing their main statistical properties, such as the bursty dynamics of social interactions. The main body of the exposition is then split into two parts. In the first part we focus on the modeling of social dynamics, with a twofold aim: reproduction of empirical data properties and analytic treatment of the models considered. We present and discuss the behavior of a simple model able to replicate the main statistical properties of empirical face-to-face interactions, at different levels of aggregation, such as individual, group and collective scales. The model considers individuals involved in a social gathering as performing a random walk in space, and it is based on the concept of social "attractiveness": socially attractive people (due to their status or role in the gathering) are more likely to make people stop around them, so they start to interact. We also devote attention to the analytic study of the activitydriven model, a model aimed to capture the relation between the dynamics of time-varying networks and the topological properties of their corresponding aggregated social networks. Through a mapping to the hidden variable model, we obtained analytic expressions for both topological properties of the time-integrated networks and connectivity properties of the evolving network, as a function of the integration time and the form of the activity potential. In the second part of the thesis we study the behavior of diffusive processes taking place on temporal networks, constituted by empirical face-to-face interactions data.We first consider random walks, and thanks to different randomization strategies we introduced, we are able to single out the crucial role of temporal correlations in slowing down the random walk exploration. Then we address spreading dynamics, focusing on the case of a simple SI model taking place on temporal networks, complemented by the study of the impact of different immunization strategies on the infection outbreak. We tackle in particular the effect of the length of the temporal window used to gather information in order to design the immunization strategy, finding that a limited amount of information of the contact patterns is sufficient to identify the individuals to immunize so as to maximize the effect of the vaccination protocol. Our work opens interesting perspectives for further research, in particular regarding the possibility to extend the time-varying networks approach to multiplex systems, composed of several layers of interrelated networks, in which the same individuals interact between them on different layers. Empirical analysis of multiplex networks is still in its infancy, indeed, while the data mining of large, social, multi-layered systems is mature to be exploited, calling for an effort in analysis and modeling. Our understanding of the impact of the temporal dimension of networked structures on the behavior of dynamical processes running on top of them can be applied to more complex multi-layered systems, with particular attention to the effect of temporal correlation between the layers in the diffusion dynamics. / La revolució de dades en ciències socials ha revelat els complexos patrons de les interaccions en la dinàmica humana, com ara l'heterogeneïtat i la burstiness dels contactes socials. La dimensió temporal recentment descoberta en les interaccions socials demana un esforç renovat en l'anàlisi i la modelització de xarxes empíriques de variables en el temps. Aquesta tesi contribueix a aquest programa, a través d'un doble recorregut: la modelització dels sistemes socials dinàmics i l'estudi de l'impacte de substrats temporalment variables en els processos dinàmics que es desenvolupen sobre ells. En primer lloc, hem introduït els conceptes bàsics i definicions del formalisme de les xarxes de variables en el temps, i presentem i analitzem algunes dades empíriques de les interaccions humanes de proximitat, discutint les seves principals propietats estadístiques. El cos principal de l'exposició es divideix llavors en dues parts. A la primera part ens centrem en els models de dinàmica social, amb un doble objectiu: la reproducció de les propietats de dades empíriques i el tractament analític dels models considerats. Hem presentat i discutit el comportament d'un model simple capaç de replicar les principals propietats estadístiques de les interaccions empíriques cara a cara, a diferents nivells d'agregació: individuals, grupals i d'escala col·lectiva. El model considera els individus que participen en un context social com si realitzaran una caminada a l'atzar en l'espai, i es basa en el concepte de "atractivitat social": persones socialment atractives tenen més probabilitat de que la gent que els envolta interactuï amb ells. Ens hem ocupat també de l'estudi analític del model "activity driven", destinat a capturar la relació entre la dinàmica de les xarxes variables en el temps i les propietats de les seves corresponents xarxes socials agregats. A través d'un mapeig amb el formalisme de variables ocultes, hem obtingut expressions analítiques per a les propietats topològiques de les xarxes integrades en el temps i les propietats de connectivitat de la xarxa en evolució, en funció del temps d'integració i de la forma del potencial d'activitat. A la segona part de la tesi hem estudiat el comportament dels processos difusius sobre xarxes temporals constituïdes per les dades empíriques de interaccions humanes. Primer considerem el procés de "random walk", o camí aleatori, i gràcies a les diferents estratègies de randomització que hem introduït, podem destacar el paper crucial de la correlacions temporals en alentir l'exploració del camí aleatori. Després hem dirigit la nostra atenció a la difusió d'epidèmies, centrant-nos en el cas d'un simple model SI que es desenvolupa a les xarxes temporals, complementat amb l'estudi de l'impacte de diferents estratègies d'immunització sobre la difusió de la infecció. Abordem, en particular, l'efecte de la longitud de la finestra temporal utilitzada per reunir informació per tal de dissenyar l'estratègia d'immunització, sobre l'eficàcia de la mateixa vacunació, descobrint que una quantitat limitada d'informació és suficient per maximitzar l'efecte del protocol de vacunació. El nostre treball obre interessants perspectives per a futures investigacions, en particular pel que fa a la possibilitat d'ampliar el formalisme de xarxes de temps variable a sistemes múltiplex, compostos de diverses capes de xarxes interrelacionades, en la qual els mateixos individus interactuen entre ells en diferents capes. L'anàlisi empírica de les xarxes múltiplex és encara en la seva infantesa, de fet, mentre que la mineria de dades de grans sistemes socials, de diverses capes, és madur per ser explotat, demanant un esforç en l'anàlisi i modelització. La nostra comprensió de l'impacte de la dimensió temporal de les xarxes sobre els processos dinàmics que es desenvolupen sobre ells es pot aplicar a sistemes més complexos de múltiples capes, estudiant l'efecte de la correlació temporal entre les capes en la dinàmica de difusió.

Esta tesis pretende descubrir las formas sonoras prosódicas típicas de la noticia en sus límites de principio y de final. En el marco de una investigación aplicada, consistente en el desarrollo de una aplicación automática para la segmentación de noticias, se ha trabajado con las variables tono, ritmo e intensidad de la locución de noticias en informativos televisivos de tres idiomas, como indicadores de los cambios de noticia. Para ello, hemos utilizado una metodología instrumental que, por una parte, considera la praxis de la noticia, y, por otra, las formas de análisis y representación prosódicas. Por lo tanto, en primer lugar, hemos localizado los niveles discursivos de la noticia –fonología, léxico, sintaxis, semántica y pragmática-, y a continuación hemos considerado el uso que de ellos se hace en los “modos de producción de la noticia”, desde su nacimiento como hecho noticioso y hasta su enunciación oral ante las cámaras. En segundo lugar, apoyándonos en teorías y análisis de procesamiento del discurso oral, hemos estudiado el tipo de procesamiento que los telespectadores hacen de la noticia como discurso de información nueva, temática y discursiva. Este Marco Teórico general ha dado como resultados las claves estructurales y discursivas (pragmáticas) de la noticia, lo cual ha quedado reflejado en un Modelo Estructural de la noticia. Dicho modelo representa las bases acústicas de la noticia (oral) en televisión como resultado de todo un proceso de configuración del mensaje, participado por tres actores (gatekeeper, redactor y presentador), que a su vez da lugar a una estructura en tres niveles (información, texto o estructura y superestructura). A continuación, se han operacionalizado las variables de estudio, ya que su análisis y representación están totalmente ligados al objeto de estudio. Para el estudio del nivel pragmático del discurso, hemos necesitado revisar la aproximación de la lingüística al análisis de la macroentonación de enunciados, los trabajos sobre ritmo de psicólogos y comunicólogos, y el complejo tratamiento de la intensidad, parámetro acústico escasamente estudiado en procesos de comunicación, y del que hemos generado curvas de intensidad experimentales según las funciones del lenguaje y las fases de la noticia, comparando estilos locutivos y asignando funciones estructurales de intensidad -afectiva, semántica y pragmática. Los resultados de este apartado han sido unas formas prosódicas que aglutinan patrones de variación de los tres parámetros. Esos patrones de variación son las variables que deben marcar el cambio de noticia en función de su variación de inicio o de final de noticia. Ahora bien, antes de implementarlas automáticamente y probar así su efectividad en un continuum de noticias, se ha hecho un estudio cualitativo y manual de 90 casos en que analizamos los tres parámetros y se miden las diferentes formas prosódicas. Se ha demostrado su correlación con el cambio o no de noticia y se ha definido una Hoja de Ruta del Algoritmo. Por fin, ese algoritmo ha sido implementado ad-hoc en el entorno virtual Labview, mediante la localización de pausas por bajadas de intensidad y la localización de datos de tono y parábolas de entonación mediante la transformada de la transformada (cepstrum) de los segmentos anteriores y posteriores de la pausa localizada. Esta plataforma virtual se ha probado para una muestra de 29 informativos reales, en tres lenguas (español, portugués, y catalán), y en informativos de dos canales por idioma. Los resultados demuestran un funcionamiento global deficiente, pues se demuestra muy dependiente del código lingüístico y del formato global del programa informativo. Las formas prosódicas parecen típicas del discurso noticia, pero vagas en su capacidad de aglutinar formatos y lenguas. No en vano, el algoritmo de segmentación de noticias funciona para los informativos en catalán, muestra del Estudio Cualitativo y la Hoja de Ruta. Futuros estudios deberán definir formas prosódicas teniendo en cuenta códigos lingüísticos y formatos o géneros televisivos, y la implementación automática deberá también analizar las formas prosódicas a lo largo de toda la noticia (no sólo en los cortes). / This thesis tries to find out the typical prosodic forms of every piece of news at its beginning and end. In the framework of an applied research that aims at developing voice recognition software for news segmentation one has reviewed the variables pitch, rhythm and intensity, and how they are articulated in the announcing of TV news programs in three languages, as indicators of the change of piece of news. For that, an instrumental methodology has been applied which, on one hand, considers the praxis of the piece of news itself, and, on the other, the prosodic forms of analysis and representation. Therefore, in first place, we have identified the discourse levels of the piece of news – phonology, lexical, syntactical, semantics and pragmatics-, and then we have reviewed the use of them in the “Modes of News Production”, from the moment that newsworthy events happen to their announcing in front of cameras. Secondly, with the support of theories and analysis for the linguistic processing of the oral discourse, we have reviewed the type of processing that TV spectators do of the news as made of new, thematic and discursive information. This general state of the art has resulted in a Superstructural Model of the News. This model represents the acoustic basis of the TV spoken news as a result of a whole process of message configuration, participated by three actors (gatekeeper, writer and “presenter-anchorman”), who bring together a three level structure (information, text or structure and superstructure). Next, the variables of study were operationalized according to the type of acoustic analysis the object of study required. For that, it has been required a linguistic approach to macro intonation analysis of statements, works on rhythm from psychologists and communication scholars, and the complex treatment of intensity (acoustic parameter with little research so far, and of which we have experimented with curves of the different functions of language and the phases of the pieces of news, by comparing locution styles and assigning structural function to the intensity – affective, semantics and pragmatics). Results show that all these three prosodic forms get together patterns of variation of the three original variables. These patterns of variation are the “complex variables” that should determine the change of pieces of news because they are specific of the beginnings and ends of the news. Nevertheless, before its automatic implementation in software, se have carried out a qualitative study of 90 fragments of locution, in which the three parameters are analyzed and the prosodic forms measured. Many correlations of the concurrence of prosodic forms have been defined in a Roadmap of the Algorithm to indicate the change of the piece of news. At last, this algorithm has been implemented ad-hoc in the virtual platform Labview, by spotting pauses (drops of intensity) and the analysis of intonation slopes (parabolas) through the transformed of the transformed (cepstrum) of the previous and posterior segments of those pauses. This virtual platform is proved for a sample of 29 TV news programs, in three languages (Spanish, Portuguese and Catalan), and in news programs of two channels per language. Results show a deficient functioning of the algorithm applied to the general corpus, as it has been proved very dependent on linguistic codes and global format of the news programs. The prosodic forms seem specific of the news discourse, but are week to characterize different formats and languages. In fact, the algorithm of segmentation does work for every format of news programs in Catalan (corpus used in the Qualitative Study, from which the Roadmap of the Algorithm was defined). Future studies should define prosodic forms considering linguistic codes and formats of television genres, and the automatic implementation should also analyze prosodic forms for the whole piece of news (not only the “cut moments”).

Biological membranes are continuously brought out of equilibrium, as they shape organelles, package and transport cargo, or respond to external actions. The dynamics of lipid membranes are very complex due to the tight interplay between the bilayer architecture, the shape dynamics, the rearrangement of the lipid molecules, and their interactions with adjacent structures. The main goal of the present work is to understand the dynamical shape deformations and reorganizations of lipid bilayers, including lipid hydrodynamics, and the mechanical shaping and stabilization of highly curved membrane structures. Towards this goal, we develop theory, simulation methods, and perform experiments. We formulate and numerically implement a continuum model of the shape dynamics and lipid hydrodynamics, which describes the bilayer by its mid-surface and by a lipid density field for each monolayer. In this model, the viscoelastic response of bilayers is determined by the stretching and curvature elasticity, and by the intermonolayer friction and the membrane interfacial shear viscosity. In contrast with previous studies, our numerical approach incorporates the main physics, is fully nonlinear, does not assume predefined shapes, and can access a wide range of time and length scales. We apply our model to describe the dynamics of biologically relevant experimental observations, which are insufficiently understood through simpler models introducing geometrical and physical simplifications. We study the dynamical formation of membrane tubes, followed by pearling instabilities, as a consequence of a localized density asymmetry, the tubular lipid transport between cells, the dynamics of bud absorption, and the very recently observed protrusions out of planar confined bilayers. The passive formation of stable highly curved protrusions in confined bilayers suggests that mechanics plays a role in the morphogenesis and homeostasis of complex organelles (e.g., endoplasmic reticulum, or mitochondrial cristae), in addition to the widely accepted role of proteins and the regulation of lipid composition. We also study experimentally and theoretically the shape transformations and membrane reorganizations of model membranes upon the adsorption of cholesterol, a ubiquitous constituent of biomembranes, which regulates their structural and mechanical properties. Our observations offer new insights into the reorganizations of macrophages and the formation of foam cells as a consequence of the cholesterol elevation in vessel walls. In this thesis, we have payed particular attention to the membrane fluidity and the influence of the membrane viscosity in the bilayer dynamics. The role of the membrane interfacial viscosity is often ignored due to its minor role in the linearized equations about planar states. We challenge this assumption, show theoretically that membrane viscosity plays an important role in the presence of high curvature, and show its effect on the membrane fluctuations of quasi-spherical vesicles and tubular membranes.