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.

Over the last decades, Metamaterials (MTMs) have caught the attention of the scientific community. Metamaterials are basically artificially engineered materials which can provide unusual electromagnetic properties not present in nature. Among other novel and special EM applications, such as the negative refraction index (NRI) application, Metamaterials allow the realisation of perfect magnetic conductors (PMCs), which are of interest in the development of smaller and more compact antenna systems composed of one or more antennas. In this context, this thesis is focused on investigating the feasibility of using metamaterial structures to improve the performance of antennas operating at the microwave frequencies. The metamaterial design process is challenging because metamaterials are primarily composed of resonant particles, and hence, their response is frequency dependent due to the dispersive behaviour of their effective medium properties. However, one can take advantage of this situation by exploiting those strange properties while finding other antenna applications for such metamaterial designs. For the case of the PMC applications, the relative magnetic permeability values are negative, because they are found just above the resonance of the metamaterial. This thesis investigates several antenna applications of artificial magnetic materials (AMMs). The initial work is devoted to the design of a spiral resonator (SR) AMM slab to realise a low profile reflector dipole antenna by taking advantage of its PMC response. The spiral resonator has been used due to its reduced unit cell size when compared to other metamaterial resonators, leading to a more homogeneous metamaterial structure. In addition, a bidirectional PMC spacer has been applied to produce a small and compact antenna system composed of two monopole antennas, although the concept may be applied to other antenna types. A third application as an AMC reflector are the transpolarising surfaces, where the incident electric field plane wave is reflected at a polarisation rotation angle of 90 degrees. Such surfaces may be of interest to produce high cross-polar response reflecting devices, like the modified trihedral corner reflector that has been tested for polarimetric synthetic aperture radar (PolSAR) purposes. Another application of the SR AMM metamaterial is the patch antenna with a magneto-dielectric loading. The relative magnetic permeability of the AMM metamaterial has values over the unity in the frequency band below the resonance. As a consequence, the patch antenna can be miniaturised without reducing its bandwidth of operation, in contrast to a typical high dielectric permittivity substrate. Finally, the SR AMM metamaterial also presents values of relative magnetic permeability between zero and the unity (MNZ). In such a case, the SR AMM metamaterial has been applied as an MNZ cover of a slot antenna, devoted to increasing the broadside radiated power and directivity of the antenna. / En las últimas décadas, los Metamateriales (MTMs) han captado la atención de la comunidad científica internacional. Los metamateriales son básicamente materiales artificiales diseñados que tienen propiedades electromagnéticas inusuales no presentes en la naturaleza. Aparte de otras aplicaciones innovadoras en electromagnetismo, como la posibilidad de un material con un índice de refracción negativo (NRI), los metamateriales permiten realizar los conductores magnéticos perfectos (PMCs), que podrían ser de gran utilidad para implementar sistemas de múltiples antenas más pequeños y compactos. En este contexto, esta tesis se centra en investigar el uso de diferentes diseños de metamateriales para mejorar las prestaciones de sistemas radiantes o antenas que trabajan a frecuencias de microondas. El proceso de diseño de los metamateriales es complicado, porque los metamateriales están compuestos de resonadores magnéticos, y consecuentemente, su respuesta varía con la frecuencia a causa de la naturaleza dispersiva de sus parámetros de medio efectivo. No obstante, se pueden aprovechar estas propiedades extrañas para encontrar otras aplicaciones interesantes en antenas. Para el caso de aplicaciones como PMC, el valor de la permeabilidad magnética relativa toma principalmente valores negativos, ya que se encuentran después de la resonancia del metamaterial. Esta tesis realiza el estudio de diferentes aplicaciones de antenas con materiales magnéticos artificiales (AMMs). Primeramente, se ha diseñado un metamaterial AMM compuesto de resonadores en espiral (SRs), que se aplica para realizar un reflector de perfil bajo con una antena dipolo, aprovechando la respuesta PMC que proporciona el metamaterial. Se han utilizado resonadores en forma de espiral porque tienen una celda unidad más reducida al compararla con la de otros resonadores metamaterials, produciendo así una estructura metamaterial más homogénea. Además, un diseño PMC bidireccional ha permitido diseñar un sistema pequeño y compacto de dos antenas monopolo, aunque este concepto se puede aplicar a otros tipos de antenas. Una tercera aplicación como reflector AMC es el de pantalla transpolarizadora, dónde una onda eléctrica plana incidente es reflejada con un ángulo de rotación de 90 grados. Estas pantallas pueden servir para realizar dispositivos reflectores con una respuesta cruzada alta, como pasa con un triedro modificado que se ha probado con éxito en aplicaciones como calibrador de radar de apertura sintética polarimétrico (PolSAR). El metamaterial SR AMM también se ha utilizado como substrato magneto-dieléctrico de una antena impresa o patch. La permeabilidad magnética relativa de este metamaterial toma valores más grandes que la unidad en el rango de frecuencias por debajo de la resonancia. Por esto, la antena patch se puede miniaturizar sin reducir sus prestaciones de ancho de banda de operación, caso contrario a cuando se utilizan substratos de permitividad dieléctrica alta. Finalmente, el metamaterial SR AMM también toma valores de permeabilidad magnética relativa entre cero y la unidad (MNZ). En este caso, el metamaterial SR AMM se ha aplicado como un superestrato MNZ de una antena de ranura o slot, con la intención de incrementar la potencia radiada y la directividad de la antena.

La Ferroresonancia és un dels fenòmens transitoris més destructius dels sistemes de potència. Associa inductàncies no lineals i capacitancias del sistema, iniciant-se de maneres diferents, el que fa molt difícil la seva caracterització. Per evitar les conseqüències de la ferrorresonancia cal entendre el fenomen, predir-i identificar-lo, per poder evitar-ho o eliminar-lo. No obstant això, el seu comportament complex no permet analitzar usant mètodes lineals. A causa de les no linealitats, la solució d'un circuit ferrorresonante s'obté generalment usant mètodes en el domini del temps; típicament, mètodes d'integració numèrica per ordinador, com ara el EMTP. Algunes eines per a l'enteniment, classificació i predicció de la ferrorresonancia es presenten en aquest estudi: mapes de Poincaré s'utilitzen per identificar el fenomen; Diagrames de Bifurcació s'utilitzen per detallar la ubicació dels canvis abruptes en estudis paramètric; Mapes 3D i 4D s'implementen per generalitzar el comportament complex del sistema. D'altra banda, els transformadors són sens dubte l'equip que requereix un modelatge més detallat. Els paràmetres utilitzats en el model han de ser adequats específicament per al tipus d'estudi a realitzar, d'una altra manera, les simulacions podrien no reproduir els casos correctament. En aquesta tesi, es presenten els detalls per modelar transformadors monofàsics i trifàsics. A més, es presenten noves tendències per representar fenòmens físics com el cicle d'histèresi. / La Ferrorresonancia es uno de los fenómenos transitorios más destructivos de los sistemas de potencia. Asocia inductancias no lineales y capacitancias del sistema, iniciándose de maneras diferentes, lo que hace muy difícil su caracterización. Para evitar las consecuencias de la ferrorresonancia es necesario entender el fenómeno, predecirlo e identificarlo, para poder evitarlo o eliminarlo. Sin embargo, su comportamiento complejo no permite analizarlo usando métodos lineales. Debido a las no linealidades, la solución de un circuito ferrorresonante se obtiene generalmente usando métodos en el dominio del tiempo; típicamente, métodos de integración numérica por ordenador, tales como el EMTP. Algunas herramientas para el entendimiento, clasificación y predicción de la ferrorresonancia se presentan en este estudio: mapas de Poincaré se utilizan para identificar el fenómeno; Diagramas de Bifurcación se utilizan para detallar la ubicación de los cambios abruptos en estudios paramétrico; Mapas 3D y 4D se implementan para generalizar el comportamiento complejo del sistema. Por otro lado, los transformadores son sin duda el equipo que requiere un modelado más detallado. Los parámetros utilizados en el modelo deben ser adecuados específicamente para el tipo de estudio a realizar, de otra manera, las simulaciones podrían no reproducir los casos correctamente. En esta tesis, se presentan los detalles para modelar transformadores monofásicos y trifásicos. Además, se presentan nuevas tendencias para representar fenómenos físicos como el ciclo de histéresis. / Ferroresonance is one of the most destructive transient phenomena in power systems. It involves the association of nonlinear magnetizing inductances and capacitances, and may be initiated in many different ways, making very difficult its characterization. To prevent the consequences of ferroresonance it is necessary to understand the phenomenon, predict and identify it, to finally avoid it or eliminate it. However, it cannot be analyzed or predicted by computation methods based on linear approximation. Because of nonlinearities, the solution of a ferroresonant circuit is usually obtained using time-domain methods; typically, a computer-based numerical integration method such as the EMTP. Tools for discerning, classifying and predicting ferroresonance are collected in this study: Poincaré maps are used to describe the time behavior of a system; Bifurcation Diagrams are utilized to detail the locations of all the abrupt changes in parametric study; 3D and 4D Maps can be implemented to generalize a complex system behavior. On the other hand, transformers are unquestionably the equipment demanding most detailed modeling. The parameters used in the model should be adequate specifically for the type of study to be performed, other way, the simulation may not reproduce the real cases. In this thesis, details are presented to modeling single- and three-phase transformers. In addition, new trends are presented to address important physical phenomenon such as hysteresis cycle.

de la tesis:Hacia el motor superconductor: estudio de las interacciones entre un estator convencional y un rotor superconductorEl desarrollo de superconductores de alta temperatura (HTSC) de gran corriente crítica ha permitido la fabricación de dispositivos en varias áreas de la ingeniería electromecánica. En particular, los HTSC pueden mejorar el rendimiento de los motores eléctricos, ya sea sustituyendo el cobre en el rotor de los mismos o con la realización de nuevos diseños.El particular ciclo de histéresis de los superconductores permite mejorar las características de los motores clásicos de histéresis. Además, el comportamiento diamagnético de los superconductores permite la levitación de los rotores, evitando el contacto entre el rotor y el estator. Esta propiedad permite alcanzar una gran velocidad de rotación en motores con diámetros pequeños.En este trabajo presentamos el estudio del comportamiento de motores de flujo axial y radial con inductores bobinados con hilo de cobre y rotor superconductor. La distribución del campo magnético alrededor del rotor, interacción magnética entre estator y rotor, y medidas del par estático y comportamiento dinámico son los principales puntos investigados.El campo generado por inductores convencionales pueden interactuar con el rotor superconductor mediante la magnetización inducida en el mismo. Esta interacción, que proporciona par y fuerzas de levitación, es estudiada en dos configuraciones:Configuración de flujo radial:Un motor ha sido construido con un cilindro de material en el rotor y un estator convencional bobinado con hilo de cobre. El estator tiene un diámetro externo de 40 mm. El hueco interno es de 16 mm de diámetro y 16 mm de altura. Ha sido bobinado con una configuración de 4 polos/ 4 fases, lo que permite una simetría adecuada para el autocentrado y levitación del rotor. No se ha usado cojinetes mecánicos.El rotor de 15,8 mm de diámetro y 16 mm de altura ha sido construido superconductor YBCO texturado. Para incrementar la simetría, el superconductor alrededor del cilindro es multidominio. Para incrementar la estabilidad axial, un disco de YBCO se ha situado en la parte superior del rotor superconductor.Cuando se conecta el inductor, el rotor levita y se centra por la presión magnética lateral. Gira siguiendo el campo magnético del estator. El rotor alcanza el estado síncrono. El motor ha sido ensayado a varias frecuencias hasta la velocidad de 40000 rmp. El movimiento del rotor ha sido observado con luz estroboscópica mostrando el comportamiento síncrono.Para caracterizar el motor, hemos realizado medidas del campo magnético en el estator y el rotor. El par ha sido medido en función del campo aplicado y del ángulo de carga.A partir de las medidas del campo magnético y de la magnetización del superconductor, hemos podido estimar el par, calculando la energía asociada al ciclo de histéresis, en función del ángulo de deslizamiento.Configuración de flujo axial:Un segundo prototipo ha sido construido usando dos semiestátores convencionales de tres fases bobinados con hilo de cobre para un motor de ocho polos. El rotor original ha sido sustituido por un disco de epoxi reforzado con fibra de vidrio de 4mm de altura y 175 mm de diámetro. Ocho discos de YBCO de 4mm de altura y 28 mm de diámetro han sido distribuidos alrededor del disco. Para poder medir el par, se ha situado un eje en el centro del rotor.El motor de flujo axial se comporta de forma similar al motor de flujo axial . En este caso la levitación es debida al gradiente de flujo en el entrehierro que existe entre ambos semiestátores. Las fuerzas de centrado se producen por el gradiente de flujo en los bordes del plano de cada inductor y son sensibles al desplazamiento del flujo atrapado.Hemos realizado medidas del par en función del ángulo de deslizamiento en estado estático y en función de la velocidad y el ángulo de carga en la caracterización dinámica. El par máximo obtenido es de 3 N·m. A 200 Hz, la potencia alcanzada es de 1 kW y las pérdidas en el hierro son aceptables. / Thesis summary :Toward to the superconducting motor: study of the interactions between a conventional stator and a superconducting rotorThe developement of high critical current HTSC (high temperature superconductors) has allowed the fabrication of devices in several areas of electromechanical engineering. In particular, HTSC have a large potential for the improvement of the efficiency of electrical motors either to susbstitute the copper windings of the rotors and for the realisation of new designs.In this work we present the study of the behavoir of axial and radial SC motors powered by a classical copper wound armature. Magnetic field distributions arround the rotor, magnetic interaction between inductor and superconducting rotor, static torque and dinamyc mesurements are the main items investigated.The field generated by the conventional armature can interact with SC rotors by means of the magnetization induced in the SC material. This interaction provides the force responsible for centering and levitation thus avoiding the use of conventional bearing and auxiliari fields providing magnetical bearing. We investigated this interaction in two configurations:Radial field configuration:The motor is built by the HTSC cylinder shaped rotor and a conventional copper wound stator. The stator core has an external diameter of 40mm, the internal hollow is of 16mm in diameter and heigh 16mm. The stator has been wound in a four poles/four phases configuration which allows the adequatre field symmetry to self-center and sustaint the rotor. No mechanical bearing has been used.The rotor of 15,8 mm in diameter and 16mm in high has been constructed from pieces of melt textured YBCO. In order to gain homogeneity around the external area of the cylinders we have chosen multidomain pellets. In order to improve the axial stability, a disc of melt textured YBCO has been stuck on the upper face of the HTSC rotor.When the armature is energized, the rotor levitates and it is centered by the lateral magnetic presure. It spins drived by the magnetic field. The rotor reaches a steady state synchronous with the field rotation. The motor has been tested at several frequencies up to a rotation speed of 40000 rpm. The movement of the rotor has been observed by stroboscopic lighting showing its synchronous behavoir.In order to characterize the motor we have performed magnetic mesurements of both armature and rotor. The torque is also been measured as a funtion of the applied current and the load angle.From the measured values of the applied magnetic field and the remanent magnetization we can estimate the torque by calculating the energy loss by hysteresis as a funtion of the slip angle of the SC rotor.Axial field configurationA second prototype has been constructed by using two conventional 3-phases wound inductors for an eight poles motor. The original rotor has been substituted by a glass fiber reinforced epoxi disk of a 4mm in thickness an 175 mm in diameter. Eight melt-textured YBCO discs of 4mm in high and 28 mm in diameter have been distributed around the disk. In order to perform the torque mesurements, a shaft has been stuck in the center of the rotor.The axial flux motor behaves in a similar way than that observed in the radial flux motor. In this case the levitation is provided by the flux gradient in the gap between both inductors. The centering forces are produced by the gradient at the borders of the plane of each inductor and are more sensitive to any displacement of the trapped fluxWe have performed mesurements of the torque as a funtion of the angle of displacement in a static state and a torque as a funtion of the speed and the load angle in a dinamic caracterization. The maximum torque obtained is 3 N·m. At 200 Hz the power arrives up to 1kW and the losses in the iron core can be acceptable.

L’objectiu principal d’aquesta tesi és avançar en la comprensió del processament d’informació en xarxes neuronals en presència d’oscil lacions subumbrals. La majoria de neurones propaguen la seva activitat elèctrica a través de sinapsis químiques que són activades, exclusivament, quan el corrent elèctric que les travessa supera un cert llindar. És per aquest motiu que les descàrregues ràpides i intenses produïdes al soma neuronal, els anomenats potencials d’acció, són considerades la unitat bàsica d’informació neuronal, és a dir, el senyal mínim i necessari per a iniciar la comunicació entre dues neurones. El codi neuronal és entès, doncs, com un llenguatge binari que expressa qualsevol missatge (estímul sensorial, memòries, etc.) en un tren de potencials d’acció. Tanmateix, cap funció cognitiva rau en la dinàmica d’una única neurona. Circuits de milers de neurones connectades entre sí donen lloc a determinats ritmes, palesos en registres d’activitat colectiva com els electroencefalogrames (EEG) o els potencials de camp local (LFP). Si els potencials d’acció de cada cèl lula, desencadenats per fluctuacions estocàstiques de les corrents sinàptiques, no assolissin un cert grau de sincronia, no apareixeria aquesta periodicitat a nivell de xarxa. Per tal de poder entendre si aquests ritmes intervenen en el codi neuronal hem estudiat tres situacions. Primer, en el Capítol 2, hem mostrat com una cadena oberta de neurones amb un potencial de membrana intrínsecament oscil latori filtra un senyal periòdic arribant per un dels extrems. La resposta de cada neurona (pulsar o no pulsar) depèn de la seva fase, de forma que cada una d’elles rep un missatge filtrat per la precedent. A més, cada potencial d’acció presinàptic provoca un canvi de fase en la neurona postsinàptica que depèn de la seva posició en l’espai de fases. Els períodes d’entrada capaços de sincronitzar les oscil lacions subumbrals són aquells que mantenen la fase d’arribada dels potencials d’acció fixa al llarg de la cadena. Per tal de què el missatge arribi intacte a la darrera neurona cal, a més a més, que aquesta fase permeti la descàrrega del voltatge transmembrana. En segon cas, hem estudiat una xarxa neuronal amb connexions tant a veïns propers com de llarg abast, on les oscil lacions subumbrals emergeixen de l’activitat col lectiva reflectida en els corrents sinàptics (o equivalentment en el LFP). Les neurones inhibidores aporten un ritme a l’excitabilitat de la xarxa, és a dir, que els episodis en què la inhibició és baixa, la probabilitat d’una descàrrega global de la població neuronal és alta. En el Capítol 3 mostrem com aquest ritme implica l’aparició d’una bretxa en la freqüència de descàrrega de les neurones: o bé polsen espaiadament en el temps o bé en ràfegues d’elevada intensitat. La fase del LFP determina l’estat de la xarxa neuronal codificant l’activitat de la població: els mínims indiquen la descàrrega simultània de moltes neurones que, ocasionalment, han superat el llindar d’excitabilitat degut a un decreixement global de la inhibició, mentre que els màxims indiquen la coexistència de ràfegues en diferents punts de la xarxa degut a decreixements locals de la inhibició en estats globals d’excitació. Aquesta dinàmica és possible gràcies al domini de la inhibició sobre l’excitació. En el Capítol 4 considerem acoblament entre dues xarxes neuronals per tal d’estudiar la interacció entre ritmes diferents. Les oscil lacions indiquen recurrència en la sincronització de l’activitat col lectiva, de manera que durant aquestes finestres temporals una població optimitza el seu impacte en una xarxa diana. Quan el ritme de la població receptora i el de l’emissora difereixen significativament, l’eficiència en la comunicació decreix, ja que les fases de màxima resposta de cada senyal LFP no mantenen una diferència constant entre elles. Finalment, en el Capítol 5 hem estudiat com les oscil lacions col lectives pròpies de l’estat de son donen lloc al fenomen de coherència estocàstica. Per a una intensitat òptima del soroll, modulat per l’excitabilitat de la xarxa, el LFP assoleix una regularitat màxima donant lloc a un període refractari de la població neuronal. En resum, aquesta Tesi mostra escenaris d’interacció entre els potencials d’acció, característics de la dinàmica de neurones individuals, i les oscil lacions subumbrals, fruit de l’acoblament entre les cèl lules i ubiqües en la dinàmica de poblacions neuronals. Els resultats obtinguts aporten funcionalitat a aquests ritmes emergents, agents sincronitzadors i moduladors de les descàrregues neuronals i reguladors de la comunicació entre xarxes neuronals. / The main objective of this thesis is to better understand information processing in neuronal networks in the presence of subthreshold oscillations. Most neurons propagate their electrical activity via chemical synapses, which are only activated when the electric current that passes through them surpasses a certain threshold. Therefore, fast and intense discharges produced at the neuronal soma (the action potentials or spikes) are considered the basic unit of neuronal information. The neuronal code is understood, then, as a binary language that expresses any message (sensory stimulus, memories, etc.) in a train of action potentials. Circuits of thousands of interconnected neurons give rise to certain rhythms, revealed in collective activity measures such as electroencephalograms (EEG) and local field potentials (LFP). Synchronization of action potentials of each cell, triggered by stochastic fluctuations of the synaptic currents, cause this periodicity at the network level.To understand whether these rhythms are involved in the neuronal code we studied three situations. First, in Chapter 2, we showed how an open chain of neurons with an intrinsically oscillatory membrane potential filters a periodic signal coming from one of its ends. The response of each neuron (to spike or not) depends on its phase, so that each cell receives a message filtered by the preceding one. Each presynaptic action potential causes a phase change in the postsynaptic neuron, which depends on its position in the phase space. Those incoming periods that are able to synchronize the subthreshold oscillations, keep the phase of arrival of action potentials fixed along the chain. The original message reaches intact the last neuron provided that this phase allows the discharge of the transmembrane voltage.I the second case, we studied a neuronal network with connections to both long range and close neighbors, in which the subthreshold oscillations emerge from the collective activity apparent in the synaptic currents. The inhibitory neurons provide a rhythm to the excitability of the network. When inhibition is low, the likelihood of a global discharge of the neuronal population is high. In Chapter 3 we show how this rhythm causes a gap in the discharge frequency of neurons: either they pulse single spikes or they fire bursts of high intensity. The LFP phase determines the state of the neuronal network, coding the activity of the population: its minima indicate the simultaneous discharge of many neurons, while its maxima indicate the coexistence of bursts due to local decreases of inhibition at global states of excitation. In Chapter 4 we consider coupling between two neural networks in order to study the interaction between different rhythms. The oscillations indicate recurrence in the synchronization of collective activity, so that during these time windows a population optimizes its impact on a target network. When the rhythm of the emitter and receiver population differ significantly, the communication efficiency decreases as the phases of maximum response of each LFP signal do not maintain a constant difference between them.Finally, in Chapter 5 we studied how oscillations typical of the collective sleep state give rise to stochastic coherence. For an optimal noise intensity, modulated by the excitability of the network, the LFP reaches a maximal regularity leading to a refractory period of the neuronal population.In summary, this Thesis shows scenarios of interaction between action potentials, characteristics of the dynamics of individual neurons, and the subthreshold oscillations, outcome of the coupling between the cells and ubiquitous in the dynamics of neuronal populations . The results obtained provide functionality to these emerging rhythms, triggers of synchronization and modulator agents of the neuronal discharges and regulators of the communication between neuronal networks.