In the field of spintronics, spin manipulation and spin transport are the main principles that need to be implemented. The main focus of this thesis is to analyse semiconductor systems where high fidelity in these principles can be achieved. To this end, we use numerical methods for precise results, supplemented by simpler analytical models for interpretation. The material system of 2D topological insulators, HgTe/CdTe quantum wells, is interesting not only because it provides a topologically distinct phase of matter, physically manifested in its protected transport properties, but also since within this system, ballistic transport of high quality can be realized, with Rashba spin-orbit coupling and electron densities that are tunable by electrical gating. Extending the Bernvevig-Hughes-Zhang model for 2D topological insulators, we derive an effective four-band model including Rashba spin-orbit terms due to an applied potential that breaks the spatial inversion symmetry of the quantum well. Spin transport in this system shows interesting physics because the effects of Rashba spin-orbit terms and the intrinsic Dirac-like spin-orbit terms compete. We show that the resulting spin Hall signal can be dominated by the effect of Rashba spin-orbit coupling. Based on spin splitting due to the latter, we propose a beam splitter setup for all-electrical generation and detection of spin currents. Its working principle is similar to optical birefringence. In this setup, we analyse spin current and spin polarization signals of different spin vector components and show that large in-plane spin polarization of the current can be obtained. Since spin is not a conserved quantity of the model, we first analyse the transport of helicity, a conserved quantity even in presence of Rashba spin-orbit terms. The polarization defined in terms of helicity is related to in-plane polarization of the physical spin. Further, we analyse thermoelectric transport in a setup showing the spin Hall effect. Due to spin-orbit coupling, an applied temperature gradient generates a transverse spin current, i.e. a spin Nernst effect, which is related to the spin Hall effect by a Mott-like relation. In the metallic energy regimes, the signals are qualitatively explained by simple analytic models. In the insulating regime, we observe a spin Nernst signal that originates from the finite-size induced overlap of edge states. In the part on methods, we discuss two complementary methods for construction of effective semiconductor models, the envelope function theory and the method of invariants. Further, we present elements of transport theory, with some emphasis on spin-dependent signals. We show the connections of the adiabatic theorem of quantum mechanics to the semiclassical theory of electronic transport and to the characterization of topological phases. Further, as application of the adiabatic theorem to a control problem, we show that universal control of a single spin in a heavy-hole quantum dot is experimentally realizable without breaking time reversal invariance, but using a quadrupole field which is adiabatically changed as control knob. For experimental realization, we propose a GaAs/GaAlAs quantum well system. / Manipulation und Transport von elektronischen Spins sind die wesentlichen Elemente, die für das Funktionieren einer zukünftigen Spin-basierten Elektronik implementiert werden müssen. Diese Arbeit befasst sich schwerpunktmäßig mit Halbleitersystemen, in denen diese Prinzipien mit hoher Zuverlässigkeit möglich sind. Dazu wurden sowohl numerische als auch analytische Berechnungsmethoden genutzt, letztere oft in der Form einfacher Modelle zur Interpretation der numerischen Ergebnisse. Das Halbleitersystem von HgTe/CdTe Quantentrögen, auch bekannt als zweidimensionaler topologischer Isolator, ist sowohl von fundamentalem wissenschaftlichen Interesse, da die topologisch nichttriviale Energiestruktur zu einem Schutz von Transporteigenschaften führt, als auch von angewandterem Interesse, da aus diesem Materialsystem Proben gefertigt werden können, die ballistischen Transport hoher Qualität zeigen, und da zudem die Rashba Spin-Bahn-Kopplung sowie die elektronische Dichte durch elektrische Steuerelektroden einstellbar sind. Wir erweitern das Bernevig-Hughes-Zhang Modell für zweidimensionale topologische Isolatoren, indem wir ein Vierbandmodell herleiten, das Rashba Spin-Bahn-Kopplungsterme enthält, die durch ein äußeres elektrisches Feld hervorgerufen werden, wenn dieses die Inversionssymmetrie des Quantentroges bricht. Der Transport von Spins in diesem System zeigt ein interessantes Wechselspiel zwischen Effekten der Rashba Spin-Bahn-Kopplung und Effekten der intrinsischen Dirac-artigen Spin-Bahn-Kopplung. Dabei dominiert die Rashba Spin-Bahn-Kopplung das Verhalten des Spin-Hall-Signals. Basierend auf der einstellbaren Rashba Spin-Bahn-Kopplung, schlagen wir einen spinselektiven Polarisator zur rein elektrischen Erzeugung und Detektion von Spinströmen vor. Das Funktionsprinzip ist vergleichbar mit demjenigen eines doppelbrechenden Kristalls. In der vorgeschlagenen Anordnung untersuchen wir die Spinpolarisation in verschieden Spinvektorkomponenten und zeigen die Realisierbarkeit von hoher Spinpolarisation in der Ebene. Da der Spin keine Erhaltungsgröße des Halbleitermodells ist, analysieren wir in einem ersten Schritt den Transport von der Erhaltungsgröße Helizität, und setzen die erzeugte Polarisation dann in Bezug zur Spinpolarisation. Des Weiteren analysieren wir thermoelektrischen Transport in einem System, das auch den Spin-Hall-Effekt zeigt. Aufgrund von Spin-Bahn-Kopplung kommt es beim Anlegen eines Temperaturgradienten zu einem transversalen Spinstrom, genannt Spin-Nernst-Effekt. Dieser ist über eine Mott-artige Beziehung mit dem Spin-Hall-Effekt verknüpft. Im metallischen Energiebereich können wir die Signale qualitativ anhand von einfachen analytischen Modellen verstehen. Im Energiebereich der elektronischen Bandlücke finden wir ein Spin-Nernst-Signal, das vom räumlichen Überlapp der Randzustände herrührt, die an gegenüberliegenden Kanten des Halbleitersystems lokalisiert sind. Im methodischen ersten Teil dieser Arbeit diskutieren wir zwei komplementäre Methoden zur Konstruktion von effektiven Halbleitermodellen, nämlich die Methode der Envelopefunktionen und die Methode der Invarianten. Außerdem präsentieren wir Elemente der elektronischen Transporttheorie, unter besonderer Beachtung von Spintransport. Wir diskutieren die Zusammenhänge zwischen dem adiabatischen Theorem in der Quantenmechanik einerseits, und semiklassischer Transporttheorie sowie der topologischen Klassifizierung von Phasen andererseits. Als weitere Anwendung des adiabatischen Theorems zeigen wir, wie universelle Kontrolle eines einzelnen Spins in einem Quantenpunkt aus Schwerlochzuständen experimentell realisiert werden kann, ohne dabei die Zeitumkehrsymmetrie zu brechen. Zu diesem Zweck führen wir ein elektrisches Quadrupolfeld ein, dessen Konfiguration als adiabatischer Kontrollparameter dient. Wir schlagen die experimentelle Realisierung des Quantenpunktes in einem QaAs/GaAlAs Quantentrogsystem vor.

One of the most significant technological advances in history was driven by the utilization of a new material class: semiconductors. Its most important application being the transistor, which is indispensable in our everyday life. The technological advance in the semiconductor industry, however, is about to slow down. Making transistors ever smaller to increase the performance and trying to reduce and deal with the dissipative heat will soon reach the limits dictated by quantum mechanics with Moore himself, predicting the death of his famous law in the next decade. A possible successor for semiconductor transistors is the recently discovered material class of topological insulators. A material which in its bulk is insulating but has topological protected metallic surface states or edge states at its boundary. Their electrical transport characteristics include forbidden backscattering and spin-momentum-locking with the spin of the electron being perpendicular to its momentum. Topological insulators therefore offer an opportunity for high performance devices with low dissipation, and applications in spintronic where data is stored and processed at the same point. The topological insulator Bi\(_2\)Se\(_3\) and related compounds offer relatively high energy band gaps and a rather simple band structure with a single dirac cone at the gamma point of the Brillouin zone. These characteritics make them ideal candidates to study the topological surface state in electrical transport experiments and explore its physics. / Einer der wichtigsten technologischen Fortschritte der Geschichte wurde von der Nutzung einer neuen Materialklasse getrieben: Halbleitern. Ihre wichtigste Anwendung ist der Transistor, welcher unverzichtbar für unseren Alltag geworden ist. Allerdings ist der technologische Fortschritt in der Halbleiterindustrie dabei sich zu verlangsamen. Versuche die Transistoren immer kleiner zu machen und die Abwärme zu regulieren und zu reduzieren werden bald ihr, durch die Quantenmechanik vorgeschriebenes, Ende erreichen. Moore selbst hat schon das Ende seines berühmten Gesetzes für das nächste Jahrzehnt vorhergesagt. Ein möglicher Nachfolger für Halbleitertransistoren ist die kürzlich entdeckte Materialklasse der topologischen Isolatoren. Ein Material, dass in seinem Volumen isolierend ist, aber an seinen Grenzen durch die Topologie geschützte metallische Oberflächenzustände oder Randkanäle hat. Deren elektrischen Transporteigenschaften umfassen unterdrückte Rückstreuung und Spin-Impuls-Kopplung, wobei der Spin des Elektrons senkrecht zu seinem Impuls ist. Topologische Isolatoren bieten daher die Möglichkeit für hochleistungsfähige Bauteile mit niedrigem Widerstand und für Anwendungen in der Spintronik, in der Daten an der gleichen Stelle gespeichert und prozessiert werden. Der topologische Isolator Bi\(_2\)Se\(_3\) und verwandte Materialien weisen eine relativ hohe Energielücke und eine eher einfache Bandstruktur mit einem einzigen Dirac-Kegel am Gammapunkt der Brilloiun Zone auf. Diese Eigenschaften machen sie zu idealen Kandidaten um den topologischen Oberflächenzustand in elektrischen Transportexperimenten zu untersuchen und seine neue Physik zu entdecken.

In dieser Arbeit werden Quantenpunkt-Speichertransistoren basierend auf modulationsdotierten GaAs/AlGaAs Heterostrukturen mit vorpositionierten InAs Quantenpunkten vorgestellt, welche in Abhängigkeit der Ladung auf den Quantenpunkten unterschiedliche Widerstände und Kapazitäten aufweisen. Diese Ladungsabhängigkeiten führen beim Anlegen von periodischen Spannungen zu charakteristischen, durch den Ursprung gehenden Hysteresen in der Strom-Spannungs- und der Ladungs-Spannungs-Kennlinie. Die ladungsabhängigen Widerstände und Kapazitäten ermöglichen die Realisierung von neuromorphen Operationen durch Nachahmung von synaptischen Funktionalitäten und arithmetischen Operationen durch Integration von Spannungs- und Lichtpulsen. / In this thesis, state-dependent resistances and capacitances in quantum dot floating gate transistors based on modulation doped GaAs/AlGaAs heterostructures with site-controlled InAs quantum dots are presented. The accumulation of electrons in the quantum dots simultaneously increases the resistance and decreases the capacitance, which leads to characteristic pinched hysteresis loops in the current-voltage- and the charge-voltage-characteristics when applying periodic input signals. The concurrent resistance and capacitance switching enables the realization of neuromorphic operations via mimicking of synaptic functionalities and arithmetic operations via the integration of voltage and light pulses.

Las cintas superconductoras de alta temperatura (HTS) han emergido como materiales prometedores para sus uso en el campo de l'energía puesto que permiten reducir a mitad el tamaño de los equipos de energía eléctrica respecto a los convencionales, reducir las pérdidas de energía, aumentar la eficacia en la generación, la transmisión y la distribución de la misma, y así la reducir el impacto ambiental.Sin embargo, diversamente de los conductores típicos, los materiales superconductores basados en óxido son frágiles, se dañado fácilmente y son así difíciles de procesar. Hasta ahora ha sido posible producir longitudes de un kilómetro de cables HTS de primera generación, para el uso en el trasporte de corriente eléctrica. Las cintas superconductoras de YBCO, por ejemplo, pueden soportar altas densidades de corrientes críticas y por esto representan un candidato prometedor en el trasporte de electricidad.Uno del los substratos disponible para suportar el superconductor es un acero policristalino con una película epitaxial de YSZ en cima, YSZ(IBAD)/Stainless. El segundo que hemos utilizado es el NiO(SOE)/Ni(Rabit), una cinta de nickel previamente texturada por laminación y sucesivamente oxidata de manera controlada. Numerosas técnicas están disponible para la deposición de YBCO epitaxiale, nosotros elegimos el proceso más barato y industrialmente interesante: la técnica sol-gel. Para evitar la interacción entre el YBCO superconductor y el substrato epitaxial, evitando así la reducción de la corriente que el superconductor puede trasportar, es importante interponer un material inerte que transfiera su epitaxia al YBCO; este clase de películas se llaman capas tampón. El objetivo principal de esta tesis ha sido optimizar el crecimiento de las capas tampón por técnica química y finalmente estudiar la deposición del YBCO por TFA sobres esas muestras optimizadas. Las capas de cerámica que hemos estudiados han sido: CeO2, BaZrO3, CaZrO3, SrZrO3, SrTiO3, BaCeO3 , y depositadas por el método químico: metal 2-4-&#61538;-diketone disuelto en ácido acético, o los metales isopropoxidos disuelto en metanol. Por depositar las soluciones precursoras hemos utilizado la técnica de spin coating. Controlando los diversos parámetros, velocidad, aceleración y la concentración de la solución obtuvimos películas homogéneas con diverso grosor. La fase de la cristalización se alcanza en un horno donde se controla l'atmósfera, la temperatura y la velocidad de calefacción. Durante esta investigación hemos adquirido un conocimiento total del acrecimiento de las películas delgada de MOD-CeO2. De una combinación de las análisis de TEM, de XRD y de RHEED observamos que el mecanismo de crecimiento tiene un comportamiento anómalo comparado con el otro materiales crecidos con la misma técnica.En este proceso de síntesis de la ceria, la nucleation homogénea de hecho esta favorita debido al bajo valor de Tnuc./Tmel ceria (Tnuc./Tmel=0.21). Solamente los granos nucleados sobre el substrato resultan texturados. La dependencia del tamaño de grano con temperatura sigue una relación de tipo Arrhenius, características de un crecimiento 3D del grano. Los análisis de EELS revelaron una fracción significativa de C residual que adorna los límites de grano, es probable que el crecimiento del límite de grano se quede bloqueando debido estas impurezas.Un proceso del recocido en aire a posteriores, ha demostrado la posibilidad de crecer las películas de CeO2 totalmente epitaxiales. Los análisis de EELS de tales muestras tratadas en oxígeno demuestran claramente que los límites de grano quedan limpios de las impurezas de C, desbloqueando así el crecimiento del grano. Después de un proceso largo de optimización de los parámetros de síntesis, podemos ahora controlar exactamente el crecimiento epitaxiale de la ceria. Se ha verificado que el óxido del cerio se puede crecer en YSZ(IBAD)/SS con solamente la orientación (00l). Para preservar la cinta del metal contra la oxidación, el proceso optimizado se ha adaptado a la deposición sobre substrato de acero inoxidable reduciendo la temperatura de síntesis a 900ºC. Hemos optimizado también la preparación de SrTiO3(STO) y BaZrO3(BZO) sobre MgO y YSZ mono-cristales y en seguida también sobre YSZ(IBAD)/SS y NiO(SOE)/Ni.La arquitectura más prometedora resultó ser STO/BZO/NiO(SOE)/Ni. Por ultimo depositamos YBCO por método TFA (Trifluoracéticetatos) sobre las capas tampones optimizadas. Una muestra de TFA-YBCO sobre CeO2/YSZ(IBAD)/SS preparada en aire a 900ºC en 8 h ha dato como resultado una densidad corriente crítica, Jc de 7 MA/cm2 a 5K, y 6·105A/cm2 a 77K. Estos valores están cerca de objectivo de un millón A/cm2 a 77K. Los experimentos sobre las capas tampón de BZO y de STO han demostrado la posibilidad de usar este sistema doble sobre NiO(SOE)/Ni como plantilla alternativa para el crecimiento de YBCO. Alcanzado una densidad de corriente crítica de Jc(5K) = 5·105A/cm2 con la mejor muestra de YBCO/STO/BZO/NiO(SOE)/Ni. / High-temperature superconducting (HTS) tapes have emerged as promising materials for superconducting power applications since they make possible electric power equipment that is half the size of conventional alternatives, with half energy losses, increasing the efficiency in the generation, transmission and distribution of the electric energy, and thus reducing the impact of power delivery on the environment. However, unlike typical conductors, oxide based superconductor materials are brittle and easily damaged and thus they are difficult to process and handle, specially forming large and flexible wires.Up to now it has been possible to produce kilometre lengths of the first generation of HTS wires for use in electrical transmission cables. YBCO coated conductors can support high critical current densities and is a promising candidate. One of the substrate available is a polycrystalline metal substrate with an epitaxial YSZ film on it, the ion-beam assisted deposition YSZ(IBAD)/Stainless Steel. The second is the textured NiO(SOE)/Ni(Rabit).Numerous methods are available for epitaxial deposition of YBCO, including vacuum techniques but we choose the cheaper non vacuum sol-gel processes.To avoid the interaction between the superconductor it is important to interpose a inert material that can transfer the epitaxy from the substrate to the YBCO, these kind of films are called buffer layers, avoiding than the reduction of the current that the superconductor can support. The main aim of this thesis was optimising the buffer layer growth by chemical technique and finally studying the deposition of TFA-YBCO on those optimised templates.The ceramic buffer layers studied:CeO2 , BaZrO3 , CaZrO3, SrZrO3, SrTiO3,BaCeO3The Sol-Gel system used was the Metal &#61538;-diketone dissolved in Acid Acetic, or Metal isopropoxide dissolved in methanol.The deposition step was performed by spin coating. Controlling the different parameters of rate and acceleration of the spinner and the precursor solution concentration we obtained homogenous films with different thickness. The crystallisation step is achieved in a furnace in a controlled atmosphere, temperature and heating rate.Important knowledge on the MOD-CeO2 thin film growth has been acquired during this research. From a combination of TEM, XRD and RHEED analyses it was observed that its growth mechanism exhibits an anomalous behaviour compared with other CSD derived films. The homogeneous nucleation in fact is favoured in this MOD process due to the low Tnuc./Tmel value for ceria film (Tnuc./Tmel=0.21). Only grains nucleated on the substrate are textured as observed in XTEM images. The grain size dependence with temperature follows an Arrhenius relation: <r>2=&#61537;otexp(-Q/kT), characteristics of 3D undergoing thermally activated grain growth . EELS analyses revealed a significant fraction of residual C decorating the grain boundaries, that very likely acts as a growth by blocking grain boundary motion. A process of post annealing or direct growth in static air, have demonstrated the possibility of growing completely epitaxial CeO2 films. EELS analyses of such samples clearly demonstrates that the oxygen clean up grain boundaries from C impurities thus unblocking grain growth. After a long process of synthesis parameter optimisation, we are now able to control exactly the epitaxial growth of ceria growth. It has been verified that Cerium oxide can be grown on YSZ(IBAD)/SS with only the (00l) orientation. The optimised process has been adapted to stainless steel substrate reducing the synthesis temperature at 900ºC in order to preserve the metal tape against oxidation. We observed an interesting phenomenon of in plane texture improvement of the ceria film with respect to the underlying YSZ(IBAD)/SS substrate, from &#61508;&#61542;YSZ = 8.3º and to &#61508;&#61542;CeO2 = 7.5º.The solution preparation and the deposition conditions for STO and BZO on MgO and YSZ have been also optimised. After several experiments of buffer deposition on YSZ(IBAD)/SS and NiO(SOE)/Ni technical metal substrates the most promising architecture resulted to be the STO/BZO/NiO(SOE)/Ni. We have grown YBCO by the TFA(Trifluor Acetic Acid) method on the optimized buffer layers. A sample of TFA-YBCO on a CeO2/YSZ(IBAD)/SS template prepared in air at 900ºC for 8 h has shown a critical current density, Jc has a value of 7 MA/cm2 at 5K, and 6·105A/cm2 at 77K. These values are near the target of one million A/cm2 at 77K. The experiments on BZO and STO buffer layers have demonstrated the possibility of using the double buffer on NiO(SOE)/Ni as an alternative template for YBCO deposition. A critical current density of Jc(5K)= 5·105A/cm2 has been achieved for the best sample of YBCO/STO/BZO/NiO(SOE)/Ni.

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Efectes de Geometria en les Propietats Electromagnètiques de Materials Lineals i de Superconductors en l'Estat CríticEl comportament electromagnètic d'un cert material no només depèn de les seves propietats intrínseques sinó també de la geometria de la mostra estudiada. De fet, algunes magnituds magnètiques en mostres del mateix material però geometria diferent poden diferir en varis ordres de magnitud. La tesi està dividida en dues parts. La primera part està dedicada a l'estudi dels efectes de geometria, també denominats efectes desimantadors, en mostres de materials lineals, homogenis i isòtrops (LHI) sota l'aplicació d'un camp magnètic uniforme. Per quantificar els efectes desimantadors en les magnituds magnètiques més rellevants en materials LHI s'utilitzen els factors de desimantació fluxmètric i magnetomètric (Nf i Nm); el seu càlcul teòric és necessari per poder determinar algunes propietats intrínseques dels materials a partir d'experiments. Després de detectar grans mancances en els resultats teòrics previs dels factors de desimantació per prismes rectangulars, presentem nombrosos càlculs originals de Nf i Nm. Pels casos de prismes infinitament llargs i prismes quadrats finits Nf i Nm es calculen per un rang ampli de relació gruix-amplada i susceptibilitat magnètica. Pel cas d'un prisma finit perfectament diamagnètic es presenta un estudi sistemàtic dels factors de desimantació en funció de les dimensions relatives del prisma a partir de càlculs precisos. També es calculen resultats numèrics per cilindres amb camp aplicat en la direcció radial, situació per la que existien molt poques dades.L'altra part de la tesi consisteix en un estudi de superconductors durs, que són materials molt interessants per aplicacions pràctiques. En aquest cas, l'estudi es centra en algunes geometries infinitament llargues immerses en un camp magnètic altern i uniforme aplicat en direcció transversal o bé que transporten un corrent elèctric altern. Concretament, s'estudien amb detall les geometries de prisma infinit de secció rectangular, el·líptica i varis casos de conjunts de múltiples prismes rectangulars. L'estudi d'aquestes geometries és de gran importància pràctica a l'hora de dissenyar cintes i cables superconductors per treballar en dispositius elèctrics en corrent altern, pels que és fonamental la reducció de les pèrdues energètiques per la viabilitat de la tecnologia basada en cables superconductors. Per fer l'estudi esmentat es desenvolupa un mètode numèric basat en el model d'estat crític per superconductors i la minimització de l'energia magnètica. Pels casos de camp magnètic aplicat, el mètode permet descriure dos tipus de connexió entre filaments, elèctricament aïllats un a un o interconnectats entre sí al extrems dels prismes. Malgrat que el primer tipus de connexió és la que presenta pèrdues energètiques més baixes, no havia estat possible simular-lo fins ara. Els resultats numèrics obtinguts a partir d'aquest mètode són originals i de gran precisió. A més, la descripció sistemàtica del problema permet realitzar un estudi en profunditat de les propietats electromagnètiques per aquestes geometries, gràcies al que s'obtenen unes tendències bàsiques per reduir les pèrdues energètiques. / The electromagnetic behaviour of a certain material do not only depends on its internal properties but also on the geometry of the studied sample. Actually, some magnetic quantities in samples of the same material but different geometry can vary in several orders of magnitude. The thesis is divided into two parts. In the first part we study the geometry effects, also called demagnetizing effects, in samples made of linear homogenous isotropic materials (LHI) subjected to a uniform applied magnetic field. In order to quantify the demagnetizing effects on the most relevant magnetic quantities of the samples, we carry out accurate calculations for the fluxmetric and magnetometric demagnetizing factors (Nf and Nm); the calculation of these factors is needed to determine some internal magnetic properties of materials from experiments. After detecting some important lacks in the already existing theoretical results for rectangular prisms, we present a complete set of original calculated data of Nf and Nm. For the cases of infinitely long rectangular prisms and finite square bars we calculate Nf and Nm for a wide range of thickness-to-width aspect ratio and magnetic susceptibility. For the case of a perfectly shielding rectangular prism, we present a systematic study of the demagnetizing factors as a function of the relative dimensions of the prism by means of accurate numerical calculations. Numerical results are also presented for cylinders under radial applied field, situation for which there existed very few data.The other part of the thesis consists in a study of hard superconductors, which are materials very interesting for applications. For this case, we have focused on some infinitely long geometries subjected to either a transverse AC applied field or a transport alternating current. Specifically, there have been studied in detail the geometries of an infinitely long prism with rectangular cross-section, elliptical one and some arrangements of several rectangular prisms. The study of these geometries is of great practical importance for the design of superconducting tapes and cables for devices operating in AC conditions, for which the reduction of the AC loss is of vital importance for the viability of the technology based on superconducting wires. In order to do such an study, we develop a numerical method based on the critical-state model for superconductors and magnetic energy minimization. For the cases considering an applied magnetic field, the method allows the description of two different kinds of filament connexion, mutually electrically isolated or interconnected at the ends of the prisms. Although the first kind of connection presents lower AC loss, this situation has not been simulated until now by any author. The numerical results obtained from this method are original and very accurate. Furthermore, the systematic study of the problem provides a deep understanding of the electromagnetic properties for these geometries, thanks to which we obtain some general trends to reduce the AC loss.

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Debido al aumento de la presencia de dispositivos no lineales en los Sistemas Eléctricos de Potencia existe un creciente interés en la formulación y resolución del flujo de cargas en presencia de armónicos. El tratamiento del problema anterior pasa, entre otras cosas, por una correcta caracterización de dichos dispositivos no lineales ya que son los elementos contaminantes del sistema. Es por ello que existen en la literatura gran cantidad de estudios sobre su modelización e incorporación al flujo de cargas. Entre dichos dispositivos destacan los convertidores AC/DC de seis pulsos debido a su extensa utilización así como al hecho de ser un consumidor de elevada potencia, y por tanto, muy contaminante. También son utilizados, aunque con menos frecuencia, los convertidores AC/DC de doce pulsos, ya que con ellos se elimina la inyección de los armónicos mas bajos en la red (el quinto y el séptimo) que son los de mayor magnitud. Su menor utilización, a pesar de la ventaja que ofrecen, es por ser mucho más complejos y caros de fabricación. Se inicia la Tesis realizando un extenso y completo estudio sobre las numerosas modelizaciones del convertidor AC/DC de seis pulsos existentes en la bibliografía para, posteriormente realizar un estudio general de dicho dispositivo. En este sentido se analiza su funcionamiento con alimentación no senoidal y desequilibrada y no se supone igualdad en las impedancias de cortocircuito del transformador que conecta el convertidor a la red. Se considera la posibilidad de componente resistiva en las impedancias de las tres fases del sistema. Asimismo, se hace el tratamiento para ángulos de disparo distintos, y se considera el rizado en el lado de continua. Esta generalidad en el tratamiento del problema es una de las aportaciones de la tesis.Además se presentan tres modelos simplificados para el cálculo aproximado de los armónicos de corriente que el convertidor AC/DC de seis pulsos inyecta en la red en condiciones desequilibradas, generalizando los modelos existentes en la literatura para el caso de la alimentación equilibrada. También se realiza un estudio de la validez de estos modelos. La propuesta de estos modelos aproximados (en condiciones desequilibradas) para el calculo de la intensidad que inyecta el convertidor constituye otra de las aportaciones de la tesis. Por último, se presenta el estudio del convertidor de doce pulsos totalmente análogo al presentado para el convertidor de doce pulsos se considera conectado a la red por dos transformadores, ambos con la misma placa de características pero uno en estrella-estrella y el otro en triangulo-estrella. Esta diferencia en el tipo de conexión de los transformadores es clave para la secuencia de topologías del convertidor. Se analiza el funcionamiento del convertidor con alimentación no senoidal, desequilibrada, asimismo, se admite la posibilidad de que las impedancias de cortocircuito de los transformadores que conectan el convertidor a red sean distintas en cada una de las fases. Se considera la posibilidad de componente resistiva en las impedancias de las fases del sistema. Asimismo, se hace el tratamiento para ángulos de disparo distintos, y se considera el rizado en el lado de continua. Esta generalidad en el tratamiento del problema es otra de las aportaciones de la tesis.

La tesis estudia el problema del flujo armónico de cargas desde dos puntos de vista. La formulación del problema del flujo armónico de cargas analizando los distintos métodos existentes en la bibliografía y desarrollando una formulación completa del mismo. Y la resolución numérica del sistema no lineal planteado en la formulación. Analizando los distintos métodos numéricos existentes en la bibliografía y sus problemas de convergencia. Y desarrollando un nuevo método numérico, denominado método de h-newton, que ofrece rapidez y seguridad en la convergencia. Además se han caracterizado las soluciones falsas para los nudos de tipo p-q, p-v y no lineales.

En el desarrollo de esta tesis hemos analizado distintos aspectos preliminares relacionados con la utilización de óxidos complejos, tales como las perovskitas de manganeso, en la implementación de dispositivos con potenciales aplicaciones en magnetoelectrónica. En concreto, hemos abordado a fondo distintos aspectos relacionados con la fabricación de uniones túnel magnéticas basadas en el sistema La2/3Ca1/3MnO3 (LCMO)/SrTiO3 (STO).Nuestro trabajo ha puesto de manifiesto que la técnica de pulverización catódica de RF es adecuada para el crecimiento de capas epitaxiales de LCMO de alta calidad sobre sustratos monocristalinos diversos (STO, LaAlO3 (LAO)). Las heteroestructuras LCMO/STO y LCMO/LAO han sido objeto de un detallado análisis poniendo de manifiesto que el desacoplo de parámetros de red juega un papel muy importante tanto sobre el tipo de crecimiento de las heteroestructuras como sobre las propiedades físicas. El sistema LCMO/STO (&#948;=1.2%) crece tensionado en el plano y permite crecer capas de hasta unos 100 nm sin que haya relajación parcial de la tensión estructural. En cambio, el sistema LCMO/LAO (&#948;=-1.8%) crece comprimido en el plano y muestra señales de relajación parcial de la tensión estructural incluso para espesores en torno a los 10 nm.El análisis de las propiedades magnéticas y de transporte muestran que ambos sistemas LCMO/STO y LCMO/LAO adolecen de una notable disminución tanto de su temperatura de transición magnética, TC, como de su magnetización de saturación, MS, al disminuir el espesor de las capas, siendo éste más acusado en el caso del LCMO/STO. Tratamientos térmicos al aire a alta temperatura permiten una mejora sustancial de las propiedades magnéticas y de transporte en ambos sistemas. La mejora es mucho más rápida en el sistema LCMO/LAO. Así mismo, el aumento del espesor de las capas también promueve una mejora de las propiedades, que se aproximan a las del material en forma masiva conforme el grosor aumenta. Esta evolución se ha relacionado con la aparición de una capa no magnética en la superficie de las capas de LCMO que se pone de manifiesto, predominantemente para las capas de LCMO/LAO ultra delgadas. Por otro lado, hemos visto como esta capa inerte puede ser reducida hasta un orden de magnitud mediante tratamientos térmicos de las muestras a alta temperatura.Nuestro trabajo ha puesto de manifiesto que la tensión estructural juega un papel fundamental y que las mejoras de TC y MS con los tratamientos térmicos están fundamentalmente ligadas a una relajación parcial de la tensión estructural. Otras posibilidades, tales como la incorporación de oxigeno o la variación de la microestructura de las muestras han sido descartadas en base a medidas de efecto Hall y análisis de microscopía electrónica de alta resolución.Para el estudio de las propiedades de transporte en las interfases hemos desarrollado un procedimiento experimental basado en la utilización de un microscopio de fuerzas atómicas trabajando en modo corriente permitiendo la caracterización de barreras aislantes e interfases entre un metal noble y un óxido complejo. Este método permite la caracterización de barreras y superficies soslayando los problemas derivados del desconocimiento preciso del contacto entre la punta de AFM y la superficie de la capa. Se realizaron medidas mediante la definición de nanocontactos de diferente geometría y tamaño realizados por distintas técnicas de nanofabricación. Mediante el estudio de las curvas I(V) en nanocontactos de LCMO/metal noble (Au, Pt) constatamos la existencia de una barrera superficial aislante (túnel) para capas finas vírgenes de LCMO/LAO. Mediante el ajuste de las curvas I(V) utilizando el modelo de Simmons hemos derivado valores para la capa aislante que concuerdan muy bien con otros datos reportados, además esta capa aislante puede ser reducida drásticamente mediante tratamientos térmicos en atmósfera ambiente. / In this Thesis we have analyzed different preliminary aspects related to the use of complex oxides, such as manganes perovskites, for implementation of functional devices with potential application on magnetoelectronics. To be precise, we have faced in deep the different aspects related with the fabrication of magnetic tunnel junctions based on the La2/3Ca1/3MnO3 (LCMO)/SrTiO3 (STO) system.Our work makes evident the suitability of RF sputtering technique for growing high quality epitaxial layers of LCMO onto several single-crystalline substrates (STO, LaAlO3 (LAO)). The heterostructures LCMO/STO and LCMO/LAO have been object of a detailed analysis showing up that structural misfit plays a significant role both on the heterostructures growth process and on the physical properties. The system LCMO/STO (&#948;=1.2%) is under in-plane tensile strain but, thin films up to 100 nm thick can be grown without any partial relieve of the structural strain. In contrast, the system LCMO/LAO (&#948;=-1.8%) grows under in-plane compressive strain and shows clear traces of partial relaxation of structural strain even for thicknesses around 10nm.The analysis of the magnetic and transport properties indicates that both systems have an outstanding depression on both the temperature transition, TC, and the saturation magnetization, MS, when decreasing the thin film thickness, being this phenomenon more pronounced in the case of LCMO/STO. High temperature annealing processes in air promote a remarkable improvement of the magnetic and transport properties in both systems. This improvement is faster and more evident in the LCMO/LAO system.In addition, we have verified that the increment of the film thicknesses also promotes an improvement of the physical properties, approaching that of bulk samples. This evolution has been correlated with the existence of a non magnetic layer at the topmost layers of the LCMO thin films, whose effect becomes more relevant as the film thickness decreases and being dominant for ultra-thin films in the LCMO/LAO system. It has been observed that this dead layer can be reduced up to one order of magnitude by high temperature annealing processes.Our work has demonstrated that structural strain plays a fundamental role on the magnetic and transport properties of these systems and the improvements of TC and MS with annealing processes is strongly linked to a partial relaxation of the structural strain. Other possibilities, such as oxygen uptake or modifications of the microstructure of the samples have been ruled out in base of Hall Effect measurements and high resolution transmission electron microscopy analysis.To study transport properties at the interfaces we have developed an experimental procedure based on the use of an atomic forces microscope (AFM) working in current sensing mode, permiting the electrical characterization of insulating barriers and the interfaces between the precious metal and the complex oxide. This method allows characterizing transport properties of barriers and interfaces avoiding the problems related to the uncertainty of the exact nature of the contact between the AFM tip an the analyzed surface. Measurements were realized by defining nanocontacts, with different geometries and sizes, using different nanofabrication techinques.