El presente documento es la tesis doctoral de Alfredo de Blas del Hoyo, dirigida por el Dr.Ing. Ramón Bargalló Perpiñá, realizada en el marco del programa de doctorado de Ingeniería Electromecánica del Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad Politécnica de Cataluña. El trabajo de investigación realizado trata sobre la modelización de la histéresis magnética y su aplicación al cálculo numérico. En concreto se trata de aportar un sistema de cálculo que permita considerar el efecto de la histéresis en la determinación de la distribución del campo magnético en los núcleos ferromagnéticos de las máquinas eléctricas. Lo aquí expuesto es fácilmente extrapolable a otros sistemas que empleen materiales ferromagnéticos.Se han analizado y comparado los modelos de histéresis más difundidos. Fruto de la comparación se ha elegido el modelo más adecuado para nuestro ámbito de aplicación, el modelo de Preisach. Dicho modelo es analizado exhaustivamente, no solo en sus fundamentos y propiedades, sino que también se comparan los diversos métodos de caracterización y desarrollo, determinando cual es la opción más apropiada. Nuestra propuesta es el modelo de Preisach caracterizado por el método de Mayergoyz y desarrollado directamente a partir de su definición algebraica o bien mediante integrales de Everett.Basándonos en una idea de G. Bertotti, desarrollamos también un modelo de Preisach dinámico. Además proponemos un modelo de Preisach completamente inverso, necesario en problemas en los que la ecuación de difusión del campo magnético se formula en A-U.Para caracterizar el modelo de Preisach mediante el método de Mayergoyz hemos desarrollado un ensayo basado en el método balístico que permite obtener de una forma económica los datos experimentales necesarios. También se investiga la forma de obtener estos datos experimentales mediante el método histeresigráfico, para ello desarrollamos un equipo automático controlado por ordenador que empleamos además para determinar llas características magnéticas de las muestras.La combinación del modelo de Preisach con los métodos numéricos se realiza mediante una aplicación, la determinación del campo, flujo y pérdidas magnéticas disgregadas en el núcleo de un transformador monofásico de 220V/380V y 1,3kVA. / This document is the doctoral thesis of Alfredo de Blas del Hoyo, directed by Dr. Ramón Bargalló Perpiñá, made in the context of the doctorate program of Electromechanics Engineering of the Electric Engineering Department of the Polytechnic University of Catalonia.This researching work is about the modelization of the magnetic hysteresis and its application to numeric calculus. Actually it treats to contribute a calculus system that allows consider the effect of magnetic hysteresis on the determination of the magnetic field distribution inside the ferromagnetic cores of electric machines. This study is easy to extrapolate to other systems with ferromagnetic materials.We have analyzed and compared the most spread models of hysteresis. Result of this comparison we have chosen the model most suitable for our scope of application, the model of Preisach. This model is exhaustively analyzed, not only on its foundation and on properties, but several methods of characterization and development are compared. Our proposal is the Preisach model characterized by the method of Mayergoyz and developed directly from its algebraic definition or with Everett integrals.From an idea by G. Bertotti we develop a dynamic generalization of the model of Preisach. We propose also a full inverse model of Preisach. The inverse model is necessary in problems where the diffusion equation of magnetic field is formulated in A-U. To characterize the model of Preisach with the method of Mayergoyz we have developed a procedure based on the ballistic method that allows obtain in a cheap way the experimental data required. We also research the way to obtain this experimental data with the hysteresigraphic method, developing an automatic device controlled by computer. This device is also used to obtain the magnetic characteristics of the samples.The combination of the model of Preisach with numeric methods is carry out by means of an application, the determination of magnetic field, magnetic flux and core losses on a single - phase transformer of 1,3kVA and 220V / 380V.

La tesis contiene en primer lugar un estudio de las técnicas de interferometria radiometrica, con énfasis en las causas de error y su impacto en las características del sensor. A continuación se proponen y comparan varias técnicas de calibracion basadas en la inyección de ruido.Un aspecto notable de la tesis consiste en el desarrollo de técnicas de reconstrucción de la imagen radiometrica adaptadas a la geometría del sensor miras propuesto por la agencia espacial europea (esa).La tesis incluye tambien el diseño de un prototipo a escala reducida de radiometro interferometrico que se ha utilizado para verificar los resultados teóricos y simulados.En resumen se trata de un trabajo muy completo y riguroso, con numerosas aportaciones originales, que han sido contrastadas experimentalmente.

Heterostructures of the materials system GaN/AlGaN/GaN were grown by molecular beam epitaxy on 6H-SiC substrates and high electron mobility transistors (HEMTs) were fabricated. For devices with large gate periphery an air bridge technology was developed for the drain contacts of the finger structure. The devices showed DC drain currents of more than 1 A/mm and values of the transconductance between 120 and 140 mS/mm. A power added efficiency of 41 % was measured on devices with a gate length of 1 µm at 2 GHz and 45 V drain bias. Power values of 8 W/mm were obtained. Devices with submicron gates exhibited power values of 6.1 W/mm (7 GHz) and 3.16 W/mm (25 GHz) respectively. The rf dispersion of the drain current is very low, although the devices were not passivated. / Heterostrukturen im Materialsystem GaN/AlGaN/GaN wurden mittels Molekularstrahlepitaxie auf 6H-SiC-Substraten gewachsen und High-Electron-Mobility-Transistoren (HEMTs) daraus hergestellt. Für Bauelemente mit großer Gateperipherie wurde eine Air-Bridge-Technik entwickelt, um die Drainkontakte der Fingerstruktur zu verbinden. Die Bauelemente zeigten Drainströme von mehr als 1 A/mm und Steilheiten zwischen 120 und 140 mS/mm. An Transistoren mit Gatelängen von 1 µm konnten Leistungswirkungsgrade (Power Added Efficiency) von 41 % (bei 2 GHz und 45 V Drain-Source-Spannung) sowie eine Leistung von 8 W/mm erzielt werden. Bauelemente mit Gatelängen im Submikrometerbereich zeigten Leistungswerte von 6,1 W/mm (7 GHz) bzw. 3,16 W/mm (25 GHz). Die Drainstromdispersion ist sehr gering, obwohl die Bauelemente nicht passiviert wurden.

For example for battery diagnosis it is essential to understand mechanisms during discharge and because of aging to optimize cell design and operating conditions. Therefore the overall battery behavior can be modeled by combining models of relevant mechanisms like porosity, charge transfer reaction and diffusion. The aim of this contribution is to define one transmission line model for modeling several of these mechanisms. Thereby a sophisticated normalization strategy allows to eliminate ambiguity and to quantify the influence of each model parameter. The results allow a better understanding of impedance measurements and can for example be used for battery diagnosis and simplified simulations of electrochemical systems. Fitting derived impedance models to measurement data by nonlinear parameter extraction techniques allows to monitor battery parameters during discharge and because of aging. Thereby a sophisticated normalization strategy is essential for unambiguous parameter extraction and useful to quantify the influence of each model parameter.

En esta tesis doctoral se utilizan diversas estrategias de ingeniería estructural para desarrollar nuevas nanoestructuras basadas en alúmina nanoporosa. Dichas nanoestructuras o moldes son posteriormente utilizados para desarrollar otras nanoestructuras innovadoras basadas en ciertos materiales tales como polímeros, metales magnéticos y semiconductores, interesantes desde el punto de vista de futuras aplicaciones. Las nanoestructuras replicadas a partir de los moldes de alúmina porosa pueden ser integradas en varios tipos de nanodispositivos (nanoelectrodos para deposición directa de nanopartículas desde una corriente de gas, precipitadores electrostáticos, células solares con heterouniones volumétricas, dispositivos ópticos unidimensionales, nanofiltros, etc.).En primer lugar, se fabrican cuatro tipos tradicionales de alúmina porosa autoordenada utilizando la anodización blanda en dos pasos. Los ácidos utilizados para fabricar dichos tipos de alúmina porosa son sulfúrico, oxálico y fosfórico. Los voltajes de anodización aplicados son 20, 40 y 160-195 V, respectivamente. El diámetro del poro varia entre 20 y 250 nm, siendo la distancia entre poros 55, 100 y 400-500 nm, respectivamente. Posteriormente, se fabrica alúmina porosa autoordenada utilizando la anodización dura en un paso utilizando ácido oxálico. También se emplea la anodización dura en dos pasos para fabricar moldes de alúmina porosa ordenada sin capa protectiva, la cuál es característica de un proceso de anodización dura en un paso. Además, siguiendo una técnica de re-anodización, se elimina la capa barrera de óxido de la parte posterior de los moldes de alúmina sin eliminar el sustrato de aluminio ni desprender el molde de alúmina del sustrato. Después, por medio de un proceso de anodización asimétrico en el cuál se modifican las condiciones de anodización (voltaje de anodinado, tipo y concentración de ácido), se fabrican moldes de alúmina jerarquizados con múltiples configuraciones. También se producen moldes de alúmina porosa bicapa combinando anodizado duro y blando. Posteriormente, se emplea un molde de nitruro de silicio para fabricar moldes de alúmina porosa perfectamente ordenados mediante la técnica de nanoimpresión. Además, utilizando esta misma técnica y seleccionando las condiciones de anodización adecuadas, es posible fabricar moldes de alúmina porosa perfectamente ordenados con un ordenamiento de poros extraordinario. Finalmente, se fabrican nanoembudos basados en alúmina porosa intercalando consecutivamente pasos de anodizado y ampliación de diámetro de poro. Dichas nanoestructuras son diseñadas con un alto grado de precisión mediante dos procesos de calibración sistemáticos. Además, se desarrolla un modelo teórico que predice el crecimiento del poro durante el proceso de anodización. Este modelo es experimentalmente validado.A partir de dichas nanoestructuras basadas en moldes de alúmina porosa se estudian varias aplicaciones. En primer lugar, se sinterizan nanopilares magnéticos ordenados sobre sustratos de aluminio mediante deposición electroquímica. Estos se caracterizan por varias técnicas (ESEM, EDXS y XRD). Por sus propiedades magnéticas, dichos nanopilares podrían ser empleados como nanoelectrodos para deposición directa de nanopartículas desde una corriente de gas o como precipitadores electrostáticos. En segundo lugar, se fabrican estructuras poliméricas compuestas de nanopilares sobre un sustrato nanoestructurado basado en el mismo polímero. Para ello, se emplean moldes de alúmina porosa jerarquizados. Además, nanopilares del mismo polímero son transferidos sobre sustratos de ITO/vidrio. La nanoestructura resultante es caracterizada por ESEM, TEM, XRD, CS-AFM y se demuestra que ésta puede ser óptima para integrarse en celdas solares orgánicas con heterouniones volumétricas de alto rendimiento. En tercer lugar, se presenta la primera etapa en la fabricación de mosaicos de nanohilos y nanotubos de níquel. Además, dichas nanoestructuras se utilizan para llevar a cabo un estudio sistemático sobre cómo la re-organización de los poros durante el cambio de régimen de anodización de blando a duro en moldes de alúmina porosa bicapa. Estos mosaicos de nanoestructuras magnéticas podrían ser empleados para desarrollar nuevas plataformas de almacenamiento de datos. Finalmente, se fabrican cadenas de nanoesferas de silicio por infiltración bajo vacío a través de nanoembudos basados en alúmina porosa. Dichas nanoestructuras podrían ser integradas en dispositivos ópticos de tamaño nanométrico. / In this PhD thesis, several structural engineering strategies are applied to develop innovative templates based on nanoporous anodic alumina. These templates are subsequently used to develop other nanostructures based on certain materials with multiple applications such as polymers, magnetic metals and semiconductors. These replicated nanostructures could be integrated in various types of nanodevices (e.g. nanoelectrodes for direct deposition of nanoparticles from a gas draught, bulk-heterojunction solar cells, one-dimensional optoelectronic devices, nanofilters and so on). It is expected that the results presented will become a starting point to develop new nanodevices and applications in a wide range of research fields.

Aquesta tesi adreça el modelatge de dispositius HEMTs. Es presenta un model compacte, de base física, d’ AlGaN/GaN HEMTs per a la simulación de circuits. Es desenvolupa un model complet del corrent de drenador, i de les càrregues i capacitàncies de porta. El model bàsic de corrent de drenador i càrregues de porta s’obté usant un model simple de control de càrrega desenvolupat a partir de les solucions de les equacions de Poisson i Schrödinger per a l’àrea activa d’operació del dispositiu. Es presenta també un model separat del col•lapse del corrent, que és un efecte important en els AlGaN/GaN HEMT. El model de col•lapse del corrent es desenvolupa emprant el model bàsic de model com a marc, la qual cosa resulta en un model robust de gran senyal que pot ser utilitzat amb i sense la presència del col•lapse del corrent. A més, es presenta una anàlisi de no linearitats i modelatge de AlGaAs/GaAs pHEMT utilitzant les sèries de Volterra. / Esta tesis trata el modelado de dispositivos III-V HEMTs. Se presenta un modelo compacto, de base física, de AlGaN/GaN HEMTs para la simulación de circuitos. Se desarrolla un modelo completo de la corriente de drenador, y de cargas y capacitancias de puerta. El modelo básico de corriente de drenador y cargas de puerta se obtiene usando un modelo simple de control de carga desarrollado a partir de las soluciones de la ecuación de Poisson y Schrödinger para el área activa de operación del dispositivo. Se presenta también un modelo separado del colapso de la corriente, que es un efecto importante en AlGaN/GaN HEMT. El modelo de colapso de corriente de desarrolla empleando el modelo básico de corriente como marco, lo cual resulta en un modelo robusto de gran señal que puede ser utilizado con y sin la presencia del colapso de corriente. Además, se presenta un análisis de no linealidades y modelado de AlGaAs/GaAs pHEMT utilizando las series de Volterra. / This thesis targets the modeling of III-V HEMTs devices. A physics-based compact modeling of AlGaN/GaN HEMTs for circuit simulation is presented. A complete modeling of drain current, gate charge and gate capacitances is developed. The core drain current and gate charge models are derived using a simple charge control model developed from the solutions of Poisson's equation and Schrödinger’s equation solved for the active operating area of the device. The models are simple continuous and applicable for the whole operating regime of the device. A separate model is also presented for the current collapse effect, which is a serious issue in AlGaN/GaN HEMT. The current collapse model is developed using the core current model as a framework which resulted in a robust large signal model that can be used with and without the presence of current collapse. In addition, nonlinearity analysis and modeling of commercial AlGaAs/GaAs pHEMTs using the Volterra series is also presented.

En aquesta tesi doctoral s’ha dut a terme recerca en mètodes de fabricació d’estructures micromètriques i nanomètriques de SU-8. La recerca ha partit de la base d’una anàlisi dels treballs anteriors en estructuració de SU-8 i ha tingut com a principal objectiu el d’obtenir noves estructures per a aplicació en biotecnologia. Un dels resultats més importants de la recerca ha estat la proposta d’una tècnica híbrida que combina fotolitografia i litografia per pressió per obtenir superfícies de SU-8 amb estructura jerarquitzada. Les investigacions també han portat a proposar un mecanisme de sensat basat en la fotoluminescència del SU-8. Els experiments demostren que la fotoluminescència es redueix a cada pas de modificació de la química de superfície. Aquesta característica es produeix de forma repetible també quan s’adhereix un antigen (IgG) a una superfície de SU-8 modificada amb l’anticòs corresponent (aIgG). Gràcies a aquest efecte, s’ha proposat un inmunosensor basat en la reducció de fotoluminescència i se n’ha avaluat la seva sensibilitat. El resultat més rellevant demostra que estructures jeràrquicament organitzades mostren una reducció de fotoluminescència major i per tant una millor sensibilitat. / En esta tesis doctoral se ha llevado a cabo investigación sobre métodos de fabricación de estructuras micrométricas y nanométricas de SU-8. La investigación ha partido de la base de un análisis de los trabajos anteriores en estructuración de SU-8 y ha tenido como principal objetivo el de obtener nuevas estructuras para la aplicación en biotecnología. Uno de los resultados más relevantes de la investigación ha sido la propuesta de una técnica híbrida que combina fotolitografía con litografía por presión para obtener superficies de SU-8 con una estructura jerarquizada. Las investigaciones también han llevado a proponer un mecanismo de sentado basado en la fotoluminiscencia del SU-8. Los experimentos demuestran que la fotoluminiscencia se reduce a cada paso de modificación de la química de superficie. Esta característica se produce de forma repetible también cuando se adhiere un antigen (IgG) a una superficie de SU-8 modificada con el anticuerpo correspondiente (aIgG). Gracia a este efecto se ha propuesto un inmunosensor basado en la reducción de fotoluminiscencia i se ha evaluado su sensibilidad. El resultado más relevante demuestra que las estructuras jerárquicamente organizadas muestran una reducción de fotoluminiscencia mayor, y por tanto una mejor sensibilidad / n this Ph. D. Dissertation research on lithographic methods for the fabrication of micrometric and nanometric SU-8 structures has been carried out. The research has been based on a survey of existing techniques to structure the SU-8 with the main objective of obtaining novel structures for biotechnology applications. One of the main results of the research has been the proposal of an hybrid technique that combines photolithography and soft lithography to obtain hierarchically structured SU-8 surfaces. The investigations have also led to the proposal of a sensing mechanism based on the photoluminescence of SU-8. The experiments show that photoluminescence is reduced with every step of surface chemistry modification. This is a repeatable feature that is observed also upon attachment of an antigen (IgG) onto a SU-8 surface grafted with antibody (aIgG). Thanks to this effect, an immunosensor based on the reduction of photoluminescence has been proposed and its sensitivity has been evaluated. The results show that the hierarchically patterned structures offer a higher photoluminescence reduction and thus a better sensitivity.

Los aceros amorfos que contienen cantidades óptimas de cromo son muy atractivos para aplicaciones prácticas debido a su comportamiento frente a la corrosion. Estas aleaciones tienen extraordinarias propiedades de resistencia a la corrosión incluso en ambientes hostiles. Todas las composiciones de aceros amorfos estudiados hasta ahora por su resistencia a la corrosión tienen una cantidad relativamente grande de Cr y una consecuencia es la reducción de la capacidad de fromación del vidrio (GFA). También las propiedades mecánicas de los vidrios metálicos son altamente sensibles a los cambios de composición. Se ha hecho un estudio detallado sobre el efecto de la baja cantidad de Cr en la GFA, la resistencia a la corrosión y el comportamiento mecánico con el fin de determinar la cantidad óptima de Cr necesario para obtener una buena resistencia a la corrosión y buenas propiedades mecánicas, manteniendo la GFA. La composición mostró drásticamente diferentes efectos en las diferentes propiedades de la aleación en función de la cantidad de Cr. Los resultados muestran que las aleaciones de Fe-Cr-Mo-C-B con notable GFA, alta estabilidad térmica, alta dureza, así como superior resistencia a la corrosión y resistencia al desgaste se pueden conseguir con adiciones de Cr con cerca de 5 at.%. Aleaciones con contenido superior de Cr (Cr6% at.) son mejores candidatos sólo para aplicaciones donde la plasticidad no es un problema y el material se expone a ambientes agresivos. Aunque las aleaciones con contenidos relativamente bajos de Cr exhibieron la mejor plasticidad entre todas las aleaciones estudiadas, su alta tendencia a corroer limita sus aplicaciones a entornos inertes. Las propiedades químicas de los vidrios metálicos están estrechamente relacionadas con su estructura única amorfa, por eso fueron investigadas las transformaciones estructurales térmicamente inducidas (relajación y cristalización) y su efecto sobre la resistencia a la corrosión. Mediciones electroquímicas de las muestras tratadas térmicamente revelaron una fuerte dependencia de la resistencia a la corrosión en la transformación structural. Aunque la relajación estructural mejoró la resistencia a la corrosión mediante la formación de un vidrio más ideal, la mejor resistencia a la corrosión se obtuvo para la muestra con nanocristales ricos en Cr incrustados en una matriz amorfa. La precipitación de una segunda fase cristalina (rica en Mo) tuvo un efecto perjudicial sobre la resistencia a la corrosión pero las aleaciones exhibieron buenas propiedades anticorrosivas hasta que los granos ricos en Mo excedieron el límite crítico de 50 nm y el capa pasiva rica en Cr no era capaz de cubrirlos completamente. / Amorphous steels containing optimal quantities of chromium are very attractive for practical applications due to their corrosion behavior. These alloys have extraordinary corrosion resistant properties even in hostile environments. All the amorphous steels compositions studied so far for their corrosion resistance have a relatively large amount of Cr and one consequence is the reduction of the glass forming ability (GFA). Also mechanical properties of metallic glasses are highly sensitive to composition change. A detailed study on the effect of low amount of Cr on the glass forming ability, corrosion resistance and mechanical behavior has been done in order to determine the optimal amount of Cr needed to obtain good corrosion and mechanical properties while maintaining a high GFA. The composition showed drastically different effects on the different properties of the alloy depending on the amount of Cr. The results show that Fe–Cr–Mo–C–B alloys with remarkable GFA, high thermal stability, high hardness, as well as superior corrosion and wear resistance can be obtained with Cr additions near 5 at.%. Higher Cr-content (Cr˃6 at.%) alloys are better candidates only for applications where plasticity is not an issue and the material is exposed to aggressive environments. Although alloys with relatively low Cr contents exhibited the best plasticity among all the studied alloys, their high tendency to corrode limits their applications to inert environments. The chemical properties of metallic glasses are closely related to their unique amorphous structure so thermally induced structural transformations (structure relaxation and crystallization) and their effect on the corrosion resistance were investigated. Electrochemical measurements of the heat treated samples unveiled a strong dependence of corrosion resistance on structural transformation. Although structural relaxation improved the corrosion resistance by forming a more ideal glass, the best corrosion resistance was obtained for the sample showing a structure consisting of nanocrystalline Cr-rich phase embedded in an amorphous matrix. Precipitation of a second crystalline phase (Mo-rich) had a detrimental effect on corrosion resistance but the alloys exhibited good anticorrosion properties until the Mo-rich grains exceed the critical limit of 50 nm, where the Cr-rich passive film was not able to cover them completely

Donat que la nostra societat és cada cop més dependent de la tecnologia, i perquè la tecnologia és vulnerable als processos de l’alta atmosfera que tenen el seu origen en el Sol, la nostra mirada es dirigeix progressivament vers la comprensió dels mecanismes concrets que possibiliten la connexió Sol - Terra, tractant-se avui dia d’una disciplina on la recerca va clarament en augment. L’acoblament de l’alta atmosfera amb la magnetosfera és, doncs, important per tal d’entendre processos que afecten el nostre planeta a escala global. Aquesta darrera baula en la complexa cadena d’esdeveniments que comencen en la nostra estrella té com a principal destinatària la ionosfera d’altes latituds, on es dipositen quantitats considerables d’energia i moment del vent solar. El camp magnètic terrestre juga un paper clau en aquesta interacció, on els corrents elèctrics que circulen al llarg de les línies de camp magnètic, altament conductores, es poden assimilar als cables d’un circuit que es tanca a través de la càrrega elèctrica (en terminologia de circuits) que constitueix la ionosfera d’altes latituds. La missió satel•litària Active Magnetosphere and Planetary Electrodynamics Response Experiment (AMPERE) ha proporcionat, per primera vegada, instantànies dels corrents alineats al camp amb una resolució espaial i temporal sense precedents, oferint així una oportunitat per alimentar un reconegut model físic de l’alta atmosfera de la Terra com el National Center for Atmospheric Research Thermosphere-Ionosphere-Electrodynamics General Circulation Model (NCAR TIE-GCM). En un primer pas, hem utilitzat les dades d’AMPERE en l’equació de continuïtat del corrent entre la magnetosfera i la ionosfera per tal de forçar l’electrodinàmica del TIE-GCM, i hem validat els resultats tot comparant l’output corresponent a les variacions magnètiques en superfície amb dades geomagnètiques d’observatoris a diferents latituds i per a diferents condicions geofísiques. En una segona fase, hem introduït conductivitats ionosfèriques compatibles amb sectors de corrents alineats ascendents elevats, corresponents a electrons que es desplomen com a resultat d’una acceleració descendent deguda a camps elèctrics paral•lels que s’acumulen al llarg de les línies de camp magnètic, tot fent ús de diferents models per a validar les nostres conductàncies de sortida. Els resultats mostren una millora general de la capacitat del model per explicar les variacions magnètiques observades, tot i que amb una major contribució arran de la nostra primera aproximació. Les distribucions de conductància obtingudes, d’altra banda, són prou consistents amb models independents que han intentat quantificar l’efecte ionitzant de partícules que precipiten sobre la ionosfera auroral. En conclusió, hem fet una contribució modesta, però tanmateix constructiva, a la modelització de l’alta atmosfera i la seva connexió amb l’entorn espacial; principalment perquè tenim entre mans un model físic, que en últim terme ha de servir per avaluar el nostre coneixement de la realitat, més que no pas per proveir un resultat purament funcional. / Dado que nuestra sociedad es cada vez más dependiente de la tecnología, y porque la tecnología es vulnerable a los procesos de la alta atmósfera que tienen su origen en el Sol, nuestra mirada se dirige progresivamente hacia la comprensión de los mecanismos precisos que posibilitan la conexión Sol - Tierra, tratándose hoy en día de una disciplina en claro avance en cuanto a investigación. El acoplamiento de la alta atmósfera con la magnetosfera es, pues, importante para la comprensión de procesos que afectan a nuestro planeta a escala global. Este último eslabón en la compleja cadena de sucesos que comienzan en nuestra estrella tiene como principal destinatario la ionosfera de altas latitudes, donde se depositan cantidades considerables de energía y momento del viento solar. El campo magnético terrestre juega un papel clave en esta interacción, donde las corrientes eléctricas que circulan a lo largo de las líneas de campo magnético, altamente conductoras, pueden asimilarse a los cables de un circuito que se cierra a través de la carga eléctrica (en terminología de circuitos) que constituye la ionosfera de altas latitudes. La misión satelital Active Magnetosphere and Planetary Electrodynamics Response Experiment (AMPERE) ha proporcionado, por vez primera, instantáneas de las corrientes alineadas al campo con una resolución espacial y temporal sin precedentes, ofreciendo así una oportunidad para alimentar un reconocido modelo físico de la alta atmósfera de la Tierra como el National Center for Atmospheric Research Thermosphere-Ionosphere-Electrodynamics General Circulation Model (NCAR TIE-GCM). En un primer paso, hemos utilizado los datos de AMPERE en la ecuación de continuidad de corriente entre la magnetosfera y la ionosfera a fin de forzar la electrodinámica del TIE-GCM, validando los resultados a través de la comparación del output correspondiente a las variaciones magnéticas en superficie con datos geomagnéticos de observatorios a distintas latitudes y para diferentes condiciones geofísicas. En una segunda fase, hemos introducido conductividades ionosféricas compatibles con sectores de corrientes alineadas ascendentes elevadas, correspondientes a electrones que se desploman como resultado de una aceleración descendiente debida a campos eléctricos paralelos que se acumulan a lo largo de las líneas de campo magnético, haciendo uso de diferentes modelos para validar nuestras conductancias de salida. Los resultados muestran una mejora general de la capacidad del modelo para explicar las variaciones magnéticas observadas, aunque con una mayor contribución a raíz de nuestra primera aproximación. Las distribuciones de conductancia obtenidas, por otro lado, son razonablemente consistentes con modelos independientes que han intentado cuantificar el efecto ionizante de partículas que precipitan sobre la ionosfera auroral. En conclusión, hemos contribuido modesta, aunque constructivamente, a la modelización de la alta atmósfera y a su conexión con el entorno espacial; principalmente porque estamos tratando con un modelo físico, que en último término debe servir para evaluar nuestro conocimiento de la realidad, antes que proveer un resultado puramente funcional. / Because our society is ever more dependent on technology, and because technology is vulnerable to upper atmospheric processes having their origin in the Sun, our gaze is progressively turning towards the understanding of the exact mechanisms that enable the Sun-Earth connection, being today a matter of increasingly intensive research. Coupling of the upper atmosphere system with the magnetosphere is thus important for understanding processes that affect our planet in a global scale. This last link in the complex chain of events starting in our star has the high-latitude ionosphere as a main target, where considerable amounts of solar wind energy and momentum are deposited. The magnetic field of the Earth plays a key role in this interaction, with electric currents flowing along the highly conducting geomagnetic field lines that can be thought of as the wires in a circuit that is closed by the electrical load of the high-latitude ionosphere. The Active Magnetosphere and Planetary Electrodynamics Response Experiment (AMPERE) satellite mission has offered for the first time snapshots of the geomagnetic field-aligned currents with unprecedented space and time resolution, thus providing an opportunity to feed an acknowledged first-principles model of the Earth’s upper atmosphere such as the National Center for Atmospheric Research Thermosphere-Ionosphere-Electrodynamics General Circulation Model (NCAR TIE-GCM). In a first step, we have made use of AMPERE data in the current continuity equation between the magnetosphere and the ionosphere to drive the TIE-GCM electrodynamics, and we have validated our results by comparing the output ground magnetic variations with geomagnetic observatory data at different latitudes and for different geophysical conditions. In a second stage, we have made ionospheric conductivities consistent with enhanced upward field-aligned current sectors corresponding to electrons plunging as a result of downward acceleration by parallel electric fields built up along the magnetic field lines, whereby we have used different models to validate our output conductances. Results show an overall improvement of the model ability to explain the observed magnetic variations, though with a greater contribution coming from our first approach. Our conductance distribution, on the other hand, is reasonably commensurate with independent models that have tried to quantify the ionizing effect of precipitating particles onto the auroral ionosphere. In conclusion, we have made a modest but constructive contribution to the modeling of the upper atmosphere and its connection with the space environment; especially because we are dealing with a physical model, which is ultimately meant to assess our knowledge of reality, rather than providing a purely functional result.

The primary purpose of this thesis is the design, development and validation of a system capable of measuring magnetic field with low-noise conditions at sub-millihertz frequencies. Such instrument is conceived as a part of a space mission concept for a gravitational-wave observatory called eLISA (evolved Laser Interferometer Space Antenna). In addition, the work of this thesis is also well-suited for use in magnetically sensitive fundamental physics experiments requiring long integration time, such as high-precision measurement of the weak equivalence principle using space atom interferometry. To this end, the baseline design of the instrument is also foreseen to monitor the environmental magnetic field in a proposed mission concept involving space atom-interferometric measurements, known as STE-QUEST (Space-Time Explorer and Quantum Equivalence Principle Space Test). / El principal objetivo de esta tesis es el diseño, desarrollo y validación de un sistema capaz de medir campos magnéticos de bajo ruido a muy baja frecuencia (0.1\,mHz). Este instrumento es concebido como parte de una propuesta de misión espacial para un observatorio de ondas gravitacionales llamado eLISA (evolved Laser Interferometer Space Antenna). Además, el estudio de esta tesis es también de utilidad para experimentos de física fundamental especialmente sensibles a los campos magnéticos. En particular, aquellos que requieren tiempos de integración largos, como por ejemplo medidas de alta precisión del principio de equivalencia usando interferometría atómica en el espacio. En este contexto, está previsto que el sistema de medidas desarrollado en esta tesis forme también parte del la misión espacial STE-QUEST (Space-Time Explorer and Quantum Equivalence Principle Space Test). Diferentes tecnologías de sensores magnéticos (fluxgate, magnetoresitencias anisotrópicas, y magnetómetros atómicos) junto con técnicas apropiadas de reducción de ruido electrónico han sido estudiadas con el fin de evaluar si pueden ser usadas en misiones espaciales con exigentes requerimientos a baja frecuencia. Por otro lado, estas misiones requieren del control minucioso del ambiente magnético generado en el satélite. Esto es debido a que el instrumento principal puede operar correctamente y alcanzar su máximo rendimiento sólo si el entorno magnético se encuentra bajo unas determinadas condiciones. Por lo tanto, este trabajo también implica la investigación de las propiedades magnéticas del magnetómetro y su posible impacto sobre el experimento científico. Finalmente, otro problema potencial es la exactitud con la que el campo magnético puede ser estimado desde la posición del sensor hasta la región de interés donde se desea interpolar la medida. La elección de un método robusto para una determinada configuración de sensores es también parte de este trabajo. Aunque otros tópicos son cubiertos, los objetivos aquí mencionados son los principales temas cubiertos en esta tesis.