Aquesta tesi és un treball d’investigació sobre les inhomogeneïtats dels imants permanents que es fan servir per construir dispositius d’inserció en fonts de llum de sincrotró, en especial onduladors. El treball té dos objectius. En primer lloc, intentar modelitzar l’efecte d’aquestes inhomogeneïtats en els camps magnètics generats pels imants. Principalment s’ha estudiat les seves característiques magnètiques a partir de mesures directes dels blocs, i hem focalitzat l’estudi en les inhomogeneïtats de les components minoritàries del vector magnetització, ja que aquestes representen una de les més grans limitacions en el rendiment dels dispositius d’inserció. En segon lloc, a partir de la mesura d’aquestes característiques magnètiques, el treball s’ha centrat en la manera en que es poden minimitzar els efectes de les inhomogeneïtats als dispositius d’inserció. Normalment, això es fa a través d’una ordenació determinada dels blocs que compensi els errors generats per les inhomogeneïtats. En aquesta part s’han aplicat els mètodes numèrics d’optimització de funcions multivariants. En una primera part es descriu tot l’equip experimental que s’ha usat per fer les mesures magnètiques i mecàniques dels blocs i on s’explica com s’han caracteritzat tots els bancs del laboratori de dispositius d’inserció del sincrotró Alba, determinant l’error associat a cadascun d’ells. Els blocs magnètics individuals, que són els qui formen l’estructura magnètica global de l’ondulador, s’han mesurat amb unes bobines Helmholtz per a obtenir el vector magnetització. Amb aquests resultats, i aplicant un algorisme que minimitzi la component principal de camp, s’han agrupat els imants en grups (mòduls) d’ 1 (singlets) o 3 blocs (triplets). Aquests mòduls s’han mesurat amb bancs de mesura basats en el principi d’inducció de Faraday per determinar la seva signatura, és a dir, la dependència transversal de la integral de camp. Novament, aplicant un algorisme que minimitzi la primera integral de camp total del dispositiu, s’ha determinat l’ordre dels mòduls dins de l’estructura magnètica global. En una segona part, es descriuen els fonaments teòrics que permeten crear models matemàtics dels imants i que permeten implementar programes per ajustar models morfològics parametritzats d’inhomogeneïtats, com també optimitzar l’ordenació dels blocs i optimització final dels dispositius d’inserció. L’objectiu en aquesta segona part ha estat l’elaboració d’un algorisme que permeti construir segments d’ondulador amb baix error a partir d’imants amb un cert grau d’inhomogeneïtat. Finalment, el treball s’ha centrat en fer un seguiment in-situ del muntatge i verificar que les prediccions fetes en base a aquest model tenen una gran concordança amb les mesures experimentals. / This thesis is a research work on the inhomogeneities of permanent magnets that are used to construct insertion devices in synchrotron light sources, especially undulators. The work has two objectives. First, try to model the effect of these inhomogeneities in the magnetic fields generated by magnets. Mainly we studied their magnetic characteristics from direct measurements of the blocks, and we have focused the study of inhomogeneities in the minority components of the magnetization vector, as these are one of the biggest limitations in the performance of the insertion devices. Secondly, based on the measurements of these magnetic characteristics, work has focused on how you can minimize the effects of inhomogeneities in the insertion devices. This is typically done through a specific arrangement of the blocks to compensate errors caused by the inhomogeneities. In this part, numerical methods have been applied multivariate optimization functions. In the first part of the thesis is described all experimental equipment that has been used to make the measurements magnetic and mechanical of blocks and where explains how to have been characterized all the benches of the insertion devices laboratory at Alba synchrotron, determining the error associated with each of them. The individual magnetic blocks, which are the ones that form the whole structure of the undulator have been measured with Helmholtz coils to get the magnetization vector. With these results, and using an algorithm that minimizes the main component of the field, magnets are grouped into groups (modules) of 1 (singlets) and three blocks (triplets). These modules have been measured with benches based on the principle of Faraday's induction to determine the signature, that is, the transversal dependence of the integral field. Again, using an algorithm that minimizes the total field integral of the device, the order of the modules within the overall magnetic structure has been determined. The second part describes the theoretical foundations that create mathematical models for magnets and allow implementing programs to fit parameterized models of morphological inhomogeneities, and optimize the magnet sorting and the final optimization of the insertion devices. The aim of this second part was the preparation of an algorithm that allows building segments of undulators with low error using magnets with a certain degree of inhomogeneity. Finally, we focused on in-situ monitoring of assembly in order to verify that the predictions made based on this model are very consistent with the experimental measurements.

In this manuscript we present an experimental and theoretical investigation of quantum-noise-limited measurement by nonlinear interferometry, or from another perspective, quantum-noise-limited interaction-based measurement. The experimental work is performed using a polarization-based quantum interface between propagating light pulses and cold rubidium-87 atoms trapped in an optical dipole trap. We first review the theory of quantum metrology and estimation theory, and we describe theoretical proposals for nonlinear quantum metrology as developed by the group of Carlton M. Caves in the University of New Mexico. We then describe our proposal, made in 2010, to implement the Caves group's ideas using nonlinear optical interactions in a cold atomic ensemble to implement a nonlinear spin measurement. To evaluate this proposal we develop two theoretical approaches, first an extension of the collective quantum variables approach, often employed to describe quantum interfaces and atomic spin ensembles, to nonlinear optical processes. This results in an effective Hamiltonian containing nonlinear terms of the form described by the Caves group, and demonstrates a qualitative equivalence of the two schemes. The second approach uses the Maxwell-Bloch equations to describe nonlinear propagation of pulses through an atomic spin ensemble, including inhomogeneities and relaxation effects. This latter method makes quantitative predictions about optical rotation signals under realistic experimental conditions. We then describe the implementation of the proposal in a polarization-based light-atom quantum interface. We describe the existing trapping and probing system, focusing on the characteristics that make it suitable for shot-noise-limited and projection-noise-limited atomic spin measurements. We then describe adaptations to use the apparatus with shorter, higher-intensity pulses as required for nonlinear measurement, as well as characterization of the photodetection system under these modified conditions. Calibration of the nonlinear polarization rotation versus probe laser detuning allows us to produce a nearly pure nonlinear rotation signal. Finally, experimental results are presented showing shot-noise-limited nonlinear rotation signals over three orders of magnitude in photon number N. The results are consistent with our theoretical models and confirm a major prediction of the Caves group's work, in that a two-photon interaction gives a scaling for the measurement sensitivity as N^{-3/2}. A brief discussion relates this experimental observation to theoretical discussions of the ¿Heiseinberg limit¿ of quantum metrology, and possible further applications of nonlinear measurement techniques. / En aquest manuscrit presentem una recerca experimental i teòrica sobre mesures limitades pel soroll quàntic fetes mitjançant interferometria no lineal, o des de un altra perspectiva, mitjançant interacció. En el treball experimental es va fer servir una interfície quàntica de polarització entre polsos de llum en propagació i àtoms freds de rubidi-87 atrapats en una trampa òptica de dipol. Primer, farem un repàs de la teoria de la metrologia quàntica i de la teoria de la estimació, descriurem la proposició teòrica sobre metrologia quàntica no lineal tal i com la va desenvolupar el grup de Carlton M. Caves al Universitat de Nou Mèxic. A continuació descriurem la nostra proposta, feta al 2010, de com implantar la idea del grup de Caves fent servir interaccions òptiques no lineals en un conjunt d’àtoms freds amb la finalitat d’efectuar una mesura no lineal de spin. Per avaluar aquesta proposta vam desenvolupar dues aproximacions teòriques fent ús de dos mètodes diferents. En primer lloc vam estendre la tècnica de variables quàntiques col lectives cap als processos òptics no lineals, aquesta tècnica sovint és utilitzada per descriure interfícies quàntiques i conjunts de spin atòmics. Això dóna com a resultat un Hamiltonià efectiu que conté termes no lineals de la forma descrita pel grup de Caves, i demostra una equivalència qualitativa entre el nostre esquema i el seu. El segon mètode fa ús de les equacions de Maxwell-Bloch per descriure la propagació no lineal dels polsos a través del conjunt de spins atòmics, tenint en compte deshomogeneïtats i efectes de relaxació. D’aquesta manera podem fer prediccions quantitatives sobre senyals de rotació de polarització òptica en les condicions d’un experiment real. Seguirem amb la descripció de com vam implementar al laboratori la nostra proposta teòrica mitjançant una interfície quàntica de polarització entre llum i àtoms. Descriurem el ja existent sistema de confinament i sondeig dels àtoms, concentrant-nos en les característiques que permeten fer mesures al limit del soroll quàntic i del soroll de projecció. Aleshores detallarem com vam adaptar el sistema per l’ús amb polsos més curts i intensos, tal i com requereix la mesura no lineal, i al mateix temps com vam calibrar el sistema de detecció de llum en aquestes diferents condicions. El calibratge de la rotació no lineal de polarització en funció de la freqüència del làser de sonda, ens permet obtenir un senyal de rotació casi purament no lineal. Finalment, presentarem els resultats experimentals que mostren senyals de rotació no lineal limitats pel soroll quàntic al llarg de tres ordres de magnitud en el número N de fotons. Tals resultats son consistents amb els nostres models teòrics i confirmen una important predicció del treball del grup de Caves, és a dir que la interacció de dos fotons dóna una llei d’escala de N-3/2 per a la sensibilitat de la mesura. Per concloure, una concisa discussió relaciona aquesta observació experimental amb discussions teòriques sobre el “limit d’Heisenberg” de la metrologia quàntica, i amb d’altres possibles aplicacions de tècniques de mesura no lineal

Magnetohydrodynamics (MHD) is the physics branch that studies electrically conducting fluids under external magnetic fields. This thesis deals with the numerical approximation using stabilized finite element methods of two different formulations to model incompressible MHD, namely the resistive and inductionless MHD problems. Further, the linear systems of equations resulting from the application of these discrete formulations to simulate real cases are typically ill-conditioned and can have as many as 10^6-10^9 degrees of freedom. An efficient and scalable solver strategy is mandatory in these cases. On one hand, a new stabilized finite element formulation for the approximation of the resistive magnetohydrodynamics equations has been proposed. The novelty of this formulation with respect to existing ones is that it always converges to the physical solution, even when it is singular, which has been proved through a detailed stability and convergence analysis of the formulation. Moreover, it is inferred from the convergence analysis that a particular type of meshes with a macro-element structure is needed, which can be easily obtained after a straight modification of any original mesh. Finally, different operator splitting schemes have been proposed for solving the transient incompressible resistive MHD system that are unconditionally stable. Two levels of splitting have been considered. On the first level, the segregation of the Lagrange multipliers, the fluid pressure and the magneric pseudo-pressure, from the vectorial fields computation is achieved. On the second level, the fluid velocity and induction fields are also decoupled. This way, the fully coupled indefinite multiphysics system is transformed into smaller uncoupled one-physics problems. On the other hand, a stabilized formulation to solve the inductionless magnetohydrodynamic problem using the finite element method is presented. The inductionless MHD problem models the flow of an electrically charged fluid under the influence of an external magnetic field where the magnetic field induced in the fluid by the currents is negligible with respect to the external one. This system of partial differential equations is strongly coupled and highly nonlinear for real cases of interest. Therefore, solving the multiphysics linear systems of equations resulting from the discretization of these equations with finite element methods is a very challenging task which requires efficient and scalable preconditioners. A new family of recursive block LU preconditioners has been designed to improve the convergence of iterative solvers for this problem. These preconditioners are obtained after splitting the fully coupled matrix into one-physics problems for every variable (velocity, pressure, current density and electric potential) that can be optimally solved, e.g. using preconditioned domain decomposition algorithms. Furthermore, these ideas have been extended for developing recursive block LU preconditioners for the thermally coupled inductionless MHD problem.

En base als reptes sorgits a conseqüència de l'escalat de la tecnologia, la present tesis desenvolupa i analitza un conjunt d'eines orientades a avaluar la sensibilitat a la propagació d'esdeveniments SET en circuits microelectrònics. S'han proposant varies mètriques de propagació de SETs considerant l'impacto dels emmascaraments lògic, elèctric i combinat lògic-elèctric. Aquestes mètriques proporcionen una via d'anàlisi per quantificar tant les regions més susceptibles a propagar SETs com les sortides més susceptibles de rebre'ls. S'ha desenvolupat un conjunt d'algorismes de cerca de camins sensibilitzables altament adaptables a múltiples aplicacions, un sistema lògic especific i diverses tècniques de simplificació de circuits. S'ha demostrat que el retard d'un camí donat depèn dels vectors de sensibilització aplicats a les portes que formen part del mateix, essent aquesta variació de retard comparable a la atribuïble a les variacions paramètriques del proces. / En base a los desafíos surgidos a consecuencia del escalado de la tecnología, la presente tesis desarrolla y analiza un conjunto de herramientas orientadas a evaluar la sensibilidad a la propagación de eventos SET en circuitos microelectrónicos. Se han propuesto varias métricas de propagación de SETs considerando el impacto de los enmascaramientos lógico, eléctrico y combinado lógico-eléctrico. Estas métricas proporcionan una vía de análisis para cuantificar tanto las regiones más susceptibles a propagar eventos SET como las salidas más susceptibles a recibirlos. Ha sido desarrollado un conjunto de algoritmos de búsqueda de caminos sensibilizables altamente adaptables a múltiples aplicaciones, un sistema lógico especifico y diversas técnicas de simplificación de circuitos. Se ha demostrado que el retardo de un camino dado depende de los vectores de sensibilización aplicados a las puertas que forman parte del mismo, siendo esta variación de retardo comparable a la atribuible a las variaciones paramétricas del proceso. / Based on the challenges arising as a result of technology scaling, this thesis develops and evaluates a complete framework for SET propagation sensitivity. The framework comprises a number of processing tools capable of handling circuits with high complexity in an efficient way. Various SET propagation metrics have been proposed considering the impact of logic, electric and combined logic-electric masking. Such metrics provide a valuable vehicle to grade either in-circuit regions being more susceptible of propagating SETs toward the circuit outputs or circuit outputs more susceptible to produce SET. A quite efficient and customizable true path finding algorithm with a specific logic system has been constructed and its efficacy demonstrated on large benchmark circuits. It has been shown that the delay of a path depends on the sensitization vectors applied to the gates within the path. In some cases, this variation is comparable to the one caused by process parameters variations.

Non-classical correlations, usually referred as entanglement, are ones of the most studied and discussed features of Quantum Mechanics, since the initial introduction of the concept in the decade of 1930s. Even nowadays, a lot of efforts, both theoretical and experimental, are devoted in this topic, that covers many distinct areas of physics, such as a quantum computing, quantum measurement, quantum communications, solid state physics, chemistry and even biology. The fundamental tasks that one should consider related to the entanglement are: -How to create quantum entangled states. -How to maintain entanglement during propagation against sources of decoherence. -How to effectively detect it. -How to employ the benefits that entanglement offers. This thesis, divided into four chapters, concentrates on the first and last tasks considered above. In Chapter 1, a brief introduction and overview of what it is entanglement is given, starting with the famous paper of Einstein, Podolsky and Rosen, and continuing with John Bell's formulation of the so-called Bell's inequalities. We define here general concepts about entangled quantum states and introduce important entanglement measures, that are later used all over the thesis. In this chapter, sources of entangled particles (namely photons) are also mentioned. The importance is put on sources based on the nonlinear process of spontaneous parametric down-conversion. The last part of this chapter is then dedicated to a list of applications that benefit from the use of engangled states. Chapter 2 is devoted to the systematic study of the generation of entangled and non-entangled photon pairs in semiconductor Bragg reflection waveguides. Firstly, we present a source of photon pairs with a spectrally uncorrelated two-photon amplitude, achieved by a proper tailoring of the geometrical and material dispersions via structural design of waveguides. Secondly, Bragg reflection waveguides are designed in a scuh way, that results in the generation of spectrally broadband paired photons entangled in the polarization degree of freedom. Finally, we present experimental results of entangled photon pairs generation in this type of structures. In Chapter 3, we explore the feasibility of the generation of photon pairs entangled in the spatial degree of freedom, i.e. in the orbital angular momentum (OAM). Firstly, we examine how to create a highly multidimensional Hilbert space using OAM modes obtained in a chipred-poled nonlinear bulk crystals. Here, we show, how an increase of the chirp of the poling can effectively increase the Schmidt number by several orders of magnitude. Secondly, we investigate periodically poled silica glass fibres with a ring-shpaed core, that are capable to support the generation of simple OAM modes. The final Chapter 4 is dedicated to the Anderson localization and quantum random walks. At the beginning of this chapter, we present an experimental proposal for the realization of a discrete quantum random walks using the multi-path Mach-Zehnder interferometer with a spatial light modulator, that allows us to introduce different types of statistical or dynamical disorders. And secondly, we show how the transverse Anderson localization of partially coherent light, with a variable first-order degree of coherence, can be studied making use of entangled photon pairs. / Las correlaciones cuánticas, normalmente conocidas como entanglement, son uno de los temas más estudiados y discutidos de la Mecánica Cuántica, desde la introducción del concepto en la década de 1930. Incluso hoy en día, una gran cantidad de esfuerzos, tanto teóricos como experimentales, se dedican en este tema, que cubre muchas áreas distintas de la física, tales como medición cuántica (quantum metrology), computación cuántica (quantum computing), comunicaciones cuánticas (quantum communications), física de estado sólido, química e incluso biología. Las tareas fundamentales de investigación que uno debe considerar en relación con entrelazamiento son: -Cómo crear estados cuánticos entangled. -Cómo mantener el entanglement durante la propagación, en contra de las fuentes que pueden crear de-coherencia. -Cómo emplear los beneficios que el entanglement ofrece. Esta tesis, dividida en cuatro capítulos, se centra en la primera y últimas tareas consideradas. En el capítulo 1, se da una breve introducción y una visión general de lo que es el entrelazamiento (entanglement), empezando por el famoso artículo de Einstein, Podolosky y Rosen, y continuando con la formulación de John Bell de las llamados desigualdades de Bell. Definimos aquí conceptos generales acerca de los estados cuánticos enrelazados e introducimos algunas medidas de entrelazamiento importantes, que se utilizan posteriormente a lo largo de toda la tesis. En este capítulo, algunas fuentes de partículas entrelazadas (fotones) se mencionan brevemente. La importancia se pone en fuentes basadas en el proceso no lineal de generación paramétrica espontánea (SPDC, Spontaneous Parametric Down Conversion). La última parte de este capítulo está dedicado a mencionar algunas aplicaciones que se benefician de la utilización de estados entrelazados. El capítulo 2 se dedica al estudio sistemático de la generación de pares de fotones entrelazados, o no, en guías semiconductores de tipo Bragg. En primer lugar, se presenta una fuente de pares de fotones espectralmente no correlacionados, lo que se puede conseguir utilizando la geometría adecuada y la adecuada dispersión del material, a través del diseño estructural de las guías de onda. En segundo lugar, las guías de onda de Bragg se diseñan de manera que dan como resultado la generación de pares de fotones entrelazados en el grado de libertad de polarización con un ancho de banda grande. Finalmente, se presentan resultados experimentales de pares de fotones generados en este tipo de estructuras. En el capítulo 3, se explora la viabilidad de la generación de pares de fotones entrelazados en el grado espacial de libertad, es decir, en el momento angular orbital (OAM). En primer lugar, se investiga cómo crear un espacio de Hilbert altamente multidimensional utilizando modos OAM Para ello se ahce uso de materiales no lineales con chirped-qausi-phase-matching. Aquí mostramos cómo un aumento del chirp puede aumentar efectivamente el número de Schmidt en varios órdenes de magnitud. En segundo lugar, se investiga como fibras de vidrio con un núcleo en forma de anillo son capaces de generar y propagar los modos con OAM más simples. El Capítulo 4 se dedica a la localización Anderson y a los llamados paseos aleatorios cuánticos (Quantum random walks). En primer lugar se presenta una propuesta experimetnal para la realización de un paseo aleatorio discreto cuántico utilizando un interferómetro MAch-Zehnder con un modulador espacial de luz, que nos permite introducir diferentes tipos de ruido con diferentes tipos de estadística. En segundo lugar, se muestra cómo la localización transveral Anderson de luz parcialmente coherente se puede estudiar haciendo uso de pares de fotones entrelazado

La zona de rompents de les platges està governada er una gran quantitat de processos complexes altament no lineals i a diverses escales de longitud i de temps. Tot i això, algunes vegades s'hi poden trobar estructures morfològiques regulars, com ara punts cuspidals, barres de sorra uniformes en la direcció longitudinal, barres crescèntiques i sistemes rítmics de barres obliqües. La seva regularitat indica que la dinàmica complexa de la zona de rompents a gran escala pot ser explicable en termes de mecanismes físics simples en certes circumstancies. L'origen les propietats dinàmiques d'aquestes curioses estructures morfològiques encara són un problema obert, tot i que la comunitat científica hi està interessada des de fa dècades. En particular, escriure el comportament de les barres de sorra a la zona de rompents és interessant tant des d'un punt de vista científic, com per a contrastar les fórmules de transport de sediment que s'utilitzen actualment en enginyeria de costes.L'objectiu principal d'aquesta tesi és l'estudi teòric d'alguns mecanismes físics que podrien ser responsables de la forma dels perfils d'equilibri de les platges i de l'origen i la dinàmica de les barres de sorra a la zona de rompents (en concret, les barres longitudinals i els sistemes rítmics de barres obliqües). Es pretén així omplir alguns dels buits de coneixement actuals sobre aquestes formes topogràfiques. La principal hipòtesi de treball és que els dos tipus de barres es poden formar per -processos d'auto-organització'. El procediment consisteix en realitzar una anàlisi d'estabilitat per a cada tipus de barra, seguint els passos següents. Primerament es busca un estat d'equilibri rellevant del sistema sense les formes morfològiques. Aleshores s'afegeix una pertorbació a la topografia i s'estudien els efectes que produeix en la hidrodinàmica i en el transport de sediment. Si el transport resultant reforça la pertorbacióo inicial, s'obté una reacció de retro-alimentació positiva' i les barres creixen. Això és el que s'anomena un -procés 'auto-organització' del sistema o un -mecanisme d'inestabilitat' i podria ser una explicació de l'aparició d'aquestes estructures morfològiques complexes, sense estar associades a cap patró regular previ en la hidrodinàmica.El primer model teòric que es presenta en aquesta tesi s'ha construït per a descriure la forma dels perfils d'equilibri i la formació i migració de barres longitudinals, assumint uniformitat en la direcció longitudinal. El model està basat en una equació d'evolució de l'onatge acoblada a una innovadora formula pel transport de sediment transversal. La primera equació descriu la transformació i posterior ruptura d'onades d'alçada aleatòria i incidència perpendicular. La formula pel transport conte tres termes sumats: el transport cap a la costa a causa de les propietats no lineals de les onades, el transport cap al mar produït pels corrents de retorn i el transport gravitacional pendent avall. Aquests tres processos són la base d'un mecanisme físic d'interacció entre la barra i el punt de ruptura', que podria ser l'explicació pel creixement de barres longitudinals de sorra. Al capítol 3 de la tesi es descriuen els resultats d'aquest model quan s'imposen condicions d'equilibri. Els perfils que s'obtenen són similars als de les platges naturals i consisteixen en una terrassa plana i amb poc pendent dins la zona de rompents i una part còncava més inclinada més enllà del punt de ruptura. Quan el sediment és gruixut i les onades incidents són de freqüència baixa (situació típica de platges reflectives), els perfils tenen força pendent i una zona de rompents estreta. Quan la sorra és més fina i les onades són d'alta freqüència (platges més dissipatives), la zona de rompents és molt més ampla i plana i el pendent és menor.Al capítol 4 es presenta una anàlisi complerta de l'estabilitat d'aquests perfils d'equilibri respecte pertorbacions uniformes longitudinalment. Els dos objectius principals són trobar el rang de paràmetres en el qual els estats d'equilibri són estables i posar a prova la hipòtesi de si les barres longitudinals poden aparèixer com a inestabilitats del sistema. Els resultats demostren que tots els perfils d'equilibri obtinguts són estables, tant en el règim lineal com en el no lineal. Per tant, les platges amb terrassa semblen ser forts atractors dinàmics del sistema i caldria estudiar amb més atenció la seva freqüent presencia a les platges naturals.Els resultats del model lineal indiquen que una -inestabilitat de tipus delta de Dirac' podria sorgir a prop del punt de ruptura, però el seu creixement queda sempre inhibit pel transport gravitacional produït pels forts pendents associats. Les evolucions temporals no lineals realitzades posteriorment també tendeixen a estats finals que corresponen als perfils d'equilibri sense barres. Fins i tot començant des d'estats inicials força allunyats de l'equilibri i permetent una possible migració de la línia de costa, aquesta versió idealitzada del mecanisme d'-interacció entre la barra i el punt de ruptura' només ha permès descriure platges amb terrassa. Per tant, verificar quantitativament que el creixement de barres longitudinals pot ser degut a aquest mecanisme encara és un important problema obert de la física del litoral.Finalment, el segon model presentat al capítol 5 intenta reproduir la formació de sistemes rítmics de barres obliqües, partint dels mateixos perfils d'equilibri sense barres perµo ara permetent l'aparició d'inestabilitats no uniformes en la direcció longitudinal. El possible acoblament entre les estructures hidrodinàmiques en el pla horitzontal i la topografia emergent s'examina pel cas d'incidència obliqua de l'onatge. S'utilitza una fórmula clàssica de transport de sediment proporcional a diferents potencies del corrent mitja i amb una certa influència de les onades. En aquest cas, es demostra que pot existir retro-alimentació positiva' i que els diferents mecanismes físics descrits poden explicar el creixement inicial de diversos tipus de sistemes rítmics com els que s'observen en les platges naturals. Els resultats depenen principalment del tipus de transport de sediment dominant i de l'angle d'incidència de les onades. En el cas d'angles d'incidència relativament grans i transport dominat pels corrents mitjans, s'obtenen -barres orientades a favor del corrent'. Això significa que el costat de mar de les barres està desplaçat corrent avall respecte el costat de terra. La orientació és molt obliqua, o sigui que les barres són gairebé paral·leles a la línia de costa. La seva longitud d'ona és de diverses vegades l'amplada de la zona de rompents.En cas contrari, quan els corrents mitjans són febles comparats amb la velocitat orbital de les onades, poden créixer -barres orientades a contra-corrent' o bé -barres crescèntiques orientades a favor del corrent', depenent de l'angle d'incidència i de la influencia de les ones infragravitatòries en el transport. En tots dos casos, l'espaiat és de l'ordre de l'amplada de la zona de rompents. El temps típic de creixement oscil·la entre diverses hores i un parell de dies i les barres migren a favor del corrent amb velocitats fins a desenes de metres per dia.Les condicions que afavoreixen la formació d'aquests sistemes rítmics de barres són onatge regular i estats morfodinàmics intermitjos (situacions ni molt dissipatives ni molt reflexives). / of the thesisIn spite of the complex behaviour in space and time of the surf zone dynamics, relatively regular morphological patterns dominate quite often the beach topography at length and time scales well above those of incident waves. Well known examples are giant beach cusps, shore-parallel bars, crescentic longshore bars and shore-attached transverse/oblique bar systems. Their regularity indicates that the large scale complex dynamics of the surf zone as a whole can be understood in terms of simple physical mechanisms, at least in some circumstances. Remarkably, after decades of research, no model has been widely accepted to explain the origin and migration of these intriguing large-scale morphological patterns.Understanding the behaviour of nearshore sand bars is not only challenging from a scientific point of view but also very interesting for testing ediment transport formulations with engineering purposes.The main goal of this thesis is to investigate theoretically some physical processes that can be responsible for the shape of equilibrium profiles and the origin and dynamics of nearshore sand bars (in particular, shore-parallel bars and alongshore rhythmic systems of oblique bars are studied). This may fill some of the existing gaps of our current knowledge about these topographic features. The main working hypothesis is that these bars stem from -free instabilities' of the morphodynamical system. A stability analysis is performed for each type of bar system, starting from a steady equilibrium configuration of the beach without the pattern. A small topographic perturbation is then assumed and its effects on the hydrodynamics and on the sediment transport are investigated. If the transport pattern reinforces the topographic perturbation, a -positive feedback' occurs between the topography and the flow. This results in what is called a -free instability' of the system or a -self-organization process'. It can provide an explanation for the emergence of morphological patterns not associated to any previous regular template in the hydrodynamics.The first model is focused on describing the shape of equilibrium beach profiles and the growth and migration of shore-parallel bars, assuming longshore uniformity. A wave transformation equation, describing the shoaling and breaking processes of normally incident random waves, is coupled with an innovatory cross-shore sediment transport formula containing three terms: an onshore contribution due to non-linear wave properties, an offshore contribution due to undertow currents and a term accounting for the downslope gravitational effect. These three latter processes are the basis of the so-called -breakpoint-bar interaction', which has been claimed to be an explanation for the formation of shore-parallel bars. In chapter 3 of the present thesis, this model is used to predict equilibrium beach profiles, which resemble natural non-barred beaches. In case of very dissipative conditions (storm weather and fine sediment), profiles consist of a gently sloping terraced surf zone and a concave-up shoaling zone. For less dissipative conditions, the entire profile gradually becomes more planar with similar surf zone and shoaling zone slopes.Chapter 4 presents a complete stability analysis of such equilibrium profies with respect to arbitrary cross-shore perturbations. The aim is not only finding the range of parameter values leading to stable equilibrium profiles, but also testing whether shore-parallel bars can stem as free instabilities of the system. Results demonstrate that the equilibrium profiles are always stable, both in the linear and in the non-linear regimes. Therefore, the terraced non-barred profiles seem to be a strong attractor of this dynamical system and more attention should be paid to their frequent occurrence on natural beaches. The results of the linear stability analysis indicate that a -Dirac delta instability' tries to emerge at the effective break-point of the equilibrium profiles. However, its growth is always inhibited by the downslope transport that is induced by the inherent infinite slopes. The non-linear temporal evolutions subsequently performed also tend to final states that correspond to the equilibrium non-barred profiles. Even starting from initial states moderately far from equilibrium and allowing for a potential shoreline migration, this idealised version of the breakpoint-bar interaction is only able to reproduce the formation of terraces. Therefore, verifying quantitatively that this interaction can be responsible for the growth of natural shore-parallel bars still remains as an important open question in the nearshore sciences.Finally, the second model presented in chapter 5 aims at reproducing the formation of alongshore rhythmic systems of oblique sand bars, starting from the same equilibrium non-barred profiles but now allowing for alongshore non-uniformities. The potential coupling between the time- and depth-averaged hydrodynamics and the evolving rhythmic topography is examined in case of oblique wave incidence. The used classical sediment transport law is proportional to a power of the depth-averaged current and contains some influence of the waves. In this case, it is shown that -positive feedback' can occur and the different studied underlying physical mechanisms lead to the initial growth of several types of oblique bars.Results mainly depend on the sediment transport conditions and the wave incidence angle.In qualitative agreement with available field observations, for moderately large incidence angles and transport dominated by the mean currents, the emerging bars are -oriented down-current'. This means that their offshore end is shifted down-stream of the equilibrium longshore current with respect to their shore attachment. Their orientation is very oblique, that is to say that the bars are nearly shore-parallel. The wave lengths are of the order of several times the surf zone width. In the opposite situation, when mean currents are weak compared with wave orbital motions, either -up-current oriented bars' or -crescentic/down-current oriented bars' can occur. This depends on the wave incidence angle and on the influence of infragravity waves into the transport. In both cases, the wave lengths are similar to the surf zone width. The e-folding growth times of all these patterns range from a few hours to a few days and they migrate down-flow with velocities that can be up to some few meters per day. The conditions favouring the generation of these rhythmic bar systems are steady waves and intermediate beach states, in between the fully dissipative and the fully reflective situations.

Actualmente estamos viviendo en la era de la información, la cual se caracteriza por una sobreabundancia de información. El incremento del tráfico de datos en las redes de telecomunicaciones (sobre todo audio y video en Internet) hace que el desarrollo de dispositivos vaya encaminado a conseguir dispositivos con mayor ancho de banda y velocidad, sustituyendo dispositivos electrónicos por ópticos. Los cristales fotónicos son estructuras artificiales con modulación periódica del índice de refracción. Es habitual distinguir entre cristales fotónicos de una, dos o tres dimensiones según el número de dimensiones de la periodicidad en el interior de su estructura. Sus principales propiedades son: 1) La existencia del conocido como "Photonic Band Gap" (PBG), en el cual la radiación electromagnética queda impedida y que permite la existencia de modos localizados introduciendo puntos o líneas de defectos; 2) El modo de propagación de Bloch sin pérdidas debidas al efecto PBG. Estas propiedades son excepcionales y convierten a los cristales fotónicos en principales candidatos para el futuro diseño de circuitos nanofotónicos, los cuales substituirán a los electrónicos.En esta tesis se han estudiado las propiedades ópticas de cristales fotónicos metalo-dieléctricos bidimensionales. También se han propuesto dos aproximaciones numéricas para calcular las dichas propiedades:a) cálculo de las bandas características de dispersión por el método de expansión de ondas planas. Las características de dispersión son las relaciones entre la frecuencia y el vector de onda de los modos propios del cristal fotónico infinito y son muy importantes para estudiar las propiedades ópticas de tales estructuras. Con este método también es posible obtener el campo de distribución de los modos propios;b) simulación de estructuras finitas por el método de las diferencias finitas, por el cual es posible obtener los coeficientes de transmisión y de reflexión. También permite estudiar los factores de calidad de dichas estructuras.Conclusiones generales de la tesisDebido al alto nivel de integración y al bajo coste de fabricación, los cristales fotónicos metalo-dieléctricos tienen propiedades muy interesantes que los hacen susceptibles de ser utilizados como dispositivos ópticos pasivos. Algunas de estas propiedades fueron estudiadas en esta tesis.a) se ha analizado el efecto de la variación de la constante dieléctrica del fondo en la banda fotónica de la estructura para una red bidimensional cuadrada con pilares cilíndricos metálicos y triangulares con pilares rectangulares metálicos. El incremento de la constante dieléctrica del fondo permite la creación de una nueva banda prohibida, el desplazamiento de las bandas hacia bajas frecuencias y el alisamiento de las mismas, lo cual implica una reducción de la velocidad de grupo. Se ha demostrado que, para la red cuadrada, incrementando la constante dieléctrica del fondo (εb) se pueden adaptar las frecuencias de la PBG para alcanzar una banda prohibida relativa del 42,3% para TM1-2 y del 13,8% para TM3-4. Estudiando el campo de distribuciones y cómo éste cambia incrementando la constante de fondo se ha demostrado que la nueva banda prohibida aparece debido a que alguna banda fotónica sufre un mayor desplazamiento a más bajas frecuencias respecto de otras, y esta diferencia in el desplazamiento es explicada por la distinta cantidad de energía electromagnética en el interior la región metálica de distintas bandas. Se ha demostrado que los cristales fotónicos metalo-dieléctricos constituidos por una red triangular de pilares cuadrados embebidos en un material de fondo con constante dieléctrica de fondo distinta se pueden obtener bandas fotónicas prohibidas en polarización TM. Se ha hallado que para tener tal banda fotónica prohibida la constante dieléctrica de fondo debe ser como mínimo 1.6. También se ha demostrado que se pueden modular anchos de banda fotónica prohibida utilizando materiales de fondo con diferentes εb o cambiando la fracción de llenado. De esta forma, bandas prohibidas relativas superiores al 10% pueden conseguirse con fracciones de llenado alejadas de la condición de empaquetado máximo. Estos resultados muestran que pueden conseguirse anchos de bandas prohibidas relativas considerables mediante una selección adecuada del fondo dieléctrico y de la composición metálica del cristal fotónico metalo-dieléctrico.b) Se ha estudiado la influencia de la constante dieléctrica del fondo sobre las frecuencias resonantes y sobre los factores de calidad (Q) para cristales fotónicos metalo-dieléctricos bidimensionales con defectos. También se analizó la dependencia de estas frecuencias resonantes y de los factores (Q) con el radio de dichos defectos. Se observó que, de igual modo que en el caso de las frecuencias límite de la banda fotónica prohibida, las frecuencias resonantes se desplazan hacia valores más bajos con un incremento de la constante dieléctrica de fondo, y que la posición relativa de las mismas dentro de la PBG no es modificada por el cambio de material de relleno. En general, el factor (Q) incrementa su valor al incrementar la constante dieléctrica de fondo. Por consiguiente, se pueden conseguir elevados valores del factor de calidad utilizando materiales de relleno con εb mayores. También se encontró que el factor de calidad puede sintonizarse modificando el radio del defecto (rd), aunque el comportamiento de (Q) con (rd),es diferente para los distintos para los distintos modos considerados. Hemos demostrado que elevados factores (Q) pueden obtenerse utilizando estructuras resonantes basadas en cristales fotónicos metalo-dieléctricos con defectos en una de las posiciones de la red. Esto abre un amplio campo de aplicaciones, puesto que los factores (Q) expuestos en este estudio pueden aumentarse en mayor medida considerando defectos de mayor complejidad.c) Se estudió la influencia de las pérdidas en las frecuencias de resonancia y los factores de calidad de los cristales metalo-dieléctricos bidimensionales de plata. El cristal fotónico con una constante de red de 300 nm está compuesto de nanopilares de plata con un radio de 142 nm. Se emplearon parámetros de ajuste del modelo de Drude para describir adecuadamente la dependencia experimental de la frecuencia con respecto a la constante dieléctrica de la plata para un rango de longitud de onda de 300 nm hasta 900nm. Demostramos que los factores de calidad de los cristales fotónicos metalo-dieléctricos de plata para distintos modos tienen comportamientos diferentes. Los factores de calidad para el modo monopolar son una función monótonamente decreciente de εb. No obstante, los factores de calidad para el modo dipolar alcanzan su máximo con εb = 2, y para el segundo orden monopolar y tetrapolar los factores de calidad máximos se obtuvieron para εb = 3. Un mayor incremento de la constante dieléctrica de fondo se traduce en una reducción de los factores de calidad. También se ha mostrado cómo se ven afectados los factores de calidad por las pérdidas introducidas por metales en frecuencias ópticas. Los resultados obtenidos demuestran que pueden conseguirse factores de calidad mayores seleccionando adecuadamente el material de relleno y los radios de los nanopilares. / We are living in the information age with an over-abundance of information everywhere we turn. The increasing traffic of data in the telecommunication networks (audio video in the Internet) leads to the development of new devices with greater bandwidth and velocity by substituting electronic devices by optical ones. Such devices can be achieved by using the photonic crystal technology that is one of the most important scientific areas with a huge industrial potential. Photonic crystals are artificial structures with periodic modulation of refractive index. It is common to distinguish one-, two- and three-dimensional photonic crystals by the number of dimensions within which the periodicity has been introduced into the structure. The most important properties are: 1) the existence of the photonic band gap (PBG), where the electromagnetic radiation is not allowed and also permits the existence of localized modes by introducing point or linear defects; 2) the Bloch's mode propagation without losses due to the photonic band gap effect. Such exceptional properties of photonic crystals convert them into principal candidates for future design of nanophotonics circuits that will substitute electronic ones. In this thesis we have studied optical properties of two-dimensional metallo-dielectric photonic crystals. We have proposed two numerical approximations for calculating such properties a) calculation of dispersion characteristics gaps by plane-wave expansion method. The dispersion characteristics are relations between frequency and wavevector of the eigenmodes of the infinite photonic crystal and they are very important to study the optical properties of such structures. Also, with this method it is possible to obtain field distribution of eigenmodes.b) simulation of finite structures by finite-difference time domain method. By this method it is possible to obtain transmission and reflection coefficients. Also, this method permits to study the quality factors of such structures.General conclusions of the thesis:Due to the high-level of integration and low cost fabrication metallo-dielectric photonic crystals have very interesting properties for using as passive optical devices. Some of these properties were studied in this thesis.a) We have analyzed the effect of the variation of the background dielectric constant on the photonic band structure for a two-dimensional square lattice of circular metallic rods and triangular lattice wit square rods. Increasing the background dielectric constant leads to the creation of a new gap, to the shift of the bands towards the low frequencies and to the flattening of the bands which means the reduction on the group velocity. We demonstrated that, for square lattice, increasing dielectric constant of background (εb) can be used to tailor the PBG frequencies to achieve a relative band gap as large as 42.3% for TM1-2 and 13.8% for TM3-4. By studying the field distributions and how they change with increasing background we have shown that the new band gap appears because some photonic bands have a larger shift to lower frequencies than others, and this difference in the shift is explained by the different amount of electromagnetic energy within the metal region for the different bands. We have shown that 2D metallo-dielectric photonic crystals consisting of a triangular lattice of square rods embedded into background materials with different dielectric constants can have absolute Photonic Band Gaps in TM polarization. We have found out that in order to have such a PBG the dielectric constant of the background must be at least 1.6. We have also shown that the PBG widths can be tuned by using background materials with different εb or by changing the filling fraction. In this way, relative band gaps larger than 10% can be achieved for filling fractions away from the close packed condition. These results show that large relative band gap widths can be achieved by a careful selection of the background dielectric and of the metal composing the metallo-dielectric photonic crystal. b) We have studied the influence of the background dielectric constant on the resonant frequencies and quality factors (Q) of two-dimensional metallo-dielectric photonic crystals with defect sites. We have also analyzed the dependence of these resonant frequencies and Q factors with the defect radius. We have found that, as it happens with the Photonic Band Gap edge frequencies, the resonant frequencies shift to lower values with increasing background dielectric constant, and that the relative position of the resonant frequencies within the PBG is not affected by the change in the host material. In general, the Q factor increases with increasing background dielectric constant. Thus, high values of quality factor can be obtained using host materials with bigger εb. We have also found that the quality factor can be tuned also by changing the defect radius (rd), although the behaviour of the Q with rd is different for the different modes considered. We have shown that high Q factors can be obtained by using resonant structures based on metallo-dielectric photonic crystals with a defect on one of the lattice positions. This opens a wide field of application, since the Q factors demonstrated in this work can be further enlarged by the consideration of more complex defectsc) We studied the influence of the losses on the resonant frequencies and the quality factors of two-dimensional silver metallo-dielectric photonic crystals. The photonic crystal with lattice constant 300 nm is composed of silver nanorods with radius equal to 142 nm. We used fitted parameters of Drude model to adequately describe the frequency-dependent experimental dielectric constant of silver from 300 nm to 900 nm wavelength range. We have shown that the quality factors of different modes of silver metallo-dielectric photonic crystals behave different. The quality factors of monopole mode are monotonically decreasing function of the εb. However, the quality factors of dipole reach their maximum for εb = 2, and for the 2nd order monopole and quadrupole the maximum quality factors found for εb = 3. Further increasing of dielectric constant of background leads to decreasing in the quality factors. Also, we have shown how the quality factors are affected by losses introduced by metals at optical frequencies. Obtained results show that larger quality factors can be achieved by carefully selecting the host materials and the radiuses of the nanorods.

En aquesta tesi s'ha desenvolupat una tècnica de test que permet testar un LNA i un mesclador, situats en el capçal RF d'un receptor CMOS, en una configuració de test semblant al mode normal de funcionament.La circuiteria necessària per a implementar aquesta tècnica consta d'un generador IF, per a generar el senyal IF de test, i d'un mesclador auxiliar, per a obtenir el senyal RF de test.Les observables de test escollides han estat l'amplitud de la tensió de sortida del mesclador i el component DC del corrent de consum.S'ha estudiat l'eficàcia de la tècnica de test proposada utilitzant les estratègies de test estructural i predictiu, mitjançant simulacions i mesures experimentals. La seva eficàcia és comparable a altres tècniques de test existents, però l'àrea addicional dedicada a la circuiteria test és inferior. / En esta tesis se ha desarrollado una técnica de test que permite verificar un LNA y un mezclador, situados en el cabezal RF de un receptor CMOS, en una configuración de test similar al modo normal de funcionamiento.Los circuitos necesarios para implementar esta técnica son: un generador IF, que permite generar la señal IF de test, y un mezclador auxiliar, para obtener la señal RF de test.Las observables de test seleccionadas han sido la amplitud de la tensión de salida y la componente DC de la corriente de consumo.Se ha estudiado la eficacia de la técnica propuesta usando las estrategias de test estructural y predictiva, mediante simulaciones y medidas experimentales. Su eficacia es comparable a otras técnicas existentes, pero el área dedicada a la circuiteria de test es inferior. / This PhD thesis develops a test technique intended for the RF front end of CMOS integrated receivers. This test technique allows testing individually the building blocks of the receiver in a sequential way. The test mode configuration of each block is similar to the normal mode operation. The auxiliary circuitry required to generate the test stimuli consists of an IF generator, which generates the IF test signal, and an auxiliary mixer that produces the RF test signal by mixing the IF test signal with the local oscillator signal.The test observables selected for the test are the voltage amplitude after the IF amplifier, and the DC component of the supply current in each block.The capability of the proposed test technique to perform structural and predictive test strategies has been validated by simulation and experimentally. Its efficiency is comparable to other existing techniques, but the silicon area overhead is lower.

Aquesta tesi descriu el desenvolupament d’un microgenerador ressonant compatible amb la tecnologia de Si, especialment adequat per extreure energia mecànica residual de l’ambient. Aquesta mena de font “perpètua” d’energia pot ser molt adient per alimentar sensors abandonats. El disseny d’aquest tipus de microgeneradors electromagnètics consta d’un sensor de moviment i d’un transductor electromagnètic amb un moviment relatiu entre l’imant i la bobina. El principal avantatge d’aquest dispositiu és la simplicitat del disseny per aprofitar les vibracions provinents del motor d’una màquina caracteritzades per presentar una freqüència ben definida però de baixa amplitud. Per poder amplificar-ne l’amplitud, es treballa en condicions de ressonància i s’ajusta la freqüència de ressonància de l’estructura a la de les vibracions. El dispositiu està format per una bobina micromecanitzada i un imant mòbil que actua com a massa inercial en una estructura ressonant. El disseny del microgenerador electromagnètic ressonant es realitza a partir de l’estudi del principi d’operació, que permet modelitzar tant el moviment de la massa inercial com la distribució de les línies del camp magnètic. Mitjançant simulacions per elements finits (ANSYS), s’analitza per una banda la influència de la geometria i materials del ressonador i per altra banda, els paràmetres geomètrics i del material conductor de la microbobina en la tensió i la potència generades. A partir dels resultats obtinguts amb una sèrie de mesures experimentals amb ressonadors amb membranes de Kapton de diferents mides amb la microbobina s’ha realitzat una sèrie de mesures experimentals, per a caracteritzar-los tant a nivell elèctric com a nivell mecànic, i mitjançant diferents simulacions addicionals del dispositiu es realitza un “roadmap” per a l’optimització. Basant-se aquestes primeres conclusions es fabrica un altre joc de prototips amb unes bobines micromecanitzades de Cu en les que s’han inclòs algunes de les optimitzacions. D’una banda, s’ha disminuït l’esmorteïment paràsit, per millorar-ne la ressonància i d’altra banda s’ha incrementat la densitat d’espires i s’ha disminuït la resistència en sèrie de la microbobina, per augmentar-ne la variació de flux. Aquesta reducció de la resistència s’ha aconseguit amb la implementació de processos electroquímics per a fabricar bobines amb pistes més gruixudes. Els resultats obtinguts amb la seva caracterització, se’ls ha comparat amb els d’uns altres prototips amb els mateixos ressonadors però emprant una bobina de fil de Cu convencional enlloc de la microbobina per tal d’estudiar-ne la influència tant a nivell de tensió com de voltatge. Les dades de tensió i potència generades experimentalment amb el microgenerador ja es troben en el rang de les esperades segons l’estat de l’art. De totes maneres, s’analitza la possibilitat de millorar-ho en futures optimitzacions. Les mesures experimentals, a més a més de corroborar el potencial d’aquests prototips, evidencien l’existència d’efectes no lineals. Malgrat que els fenòmens de no linealitat, característics dels polímers, permeten obtenir un increment en l’energia generada, presenten la dificultat de necessitar treballar en condicions de freqüència d’excitació creixent degut al comportament metaestable del ressonador. Donada la importància d’aquests fenòmens sobre el comportament i fins i tot sobre l’aplicabilitat dels dispositius s’estudien els mecanismes que intervenen en la elasticitat dels materials per tal de realitzar una primera anàlisi i modelització dels efectes no lineals i histèresi de les membranes polimèriques. La resolució de les equacions del moviment reescrites per a incloure un terme no lineal en la força recuperadora, ha permès reproduir el comportament observat experimentalment i donar una estimació dels diversos paràmetres que el caracteritzen. / This thesis describes the design and optimization of a ressonant electromagnetic inertial microgenerator for energy scavenging applications, compatible with Si technology and a relatively high electromechanical coupling with simple designs. It consists of a fixed micromachined coil and a movable magnet (inertial mass) mounted on a resonant structure. This device is well suited for harvesting of mechanical energy from vibrations induced by operating machines which are characterized by a well defined frequency and low displacement amplitudes. Adjusting the resonant frequency of the system to that of the targeted vibrations allows amplification of these low amplitude displacements. ANSYS simulations are carried out to investigate the influence of the coil parameters (density of tracks and tracks cross section) and resonator geometry (resonant frequency and parasitic damping) on the device performance. The experimental mechanical and electrical characterization of a first prototype fabricated with a modular manufacturing process (not optimized) has allowed the validation of the model developed for the inertial electromagnetic microgenerators, which is then used as a roadmap for a number of optimizations for the final device design. Generator prototypes have been fabricated with resonant membranes with different dimensions, using in all cases the same design of electromagnetic transducer. This has allowed investigating the influence of the membrane geometry on the parasitic damping which is a key parameter for the generator performance. In relation to the first prototypes a significant increase in the generated power has been achieved by the implementation of electrochemical processes for the fabrication of coils with thicker metal tracks. The results obtained have shown the ability of these devices to generate power and output voltages in the range of state of the art. The characterization of the fabricated prototypes has allowed to observe the presence of non-linear effects that lead to the appearance of hysteretic vibrational phenomenon and strongly affect the output of the microgenerator. These effects are likely related to the mechanical characteristics of the polymeric membrane, and determine an additional dependence of vibration frequency on the excitation amplitude. Rewriting and solving the equations of movement including a nonlinear term in restoring force leads to a simple model that successfully reproduces the hysteresis of the resonator.

La resposta dels materials i/o sistemes físics quan interactuen amb la radiació electromagnètica ens dóna informació sobre les propietats físiques d’aquesta classe de materials i/o sistemes, com per exemple la conductivitat elèctrica, la permeabilitat magnètica, l’isospín d’un nucli atòmic, etc. Dos exemples són les ressonàncies magnètiques nuclear i electrònica, que consisteixen en sotmetre un material a radiació electromagnètica en el rang de radiofreqüència i microones, freqüències entre el 10 MHz i 300 GHz, i a un camp magnètic estacionari. En aquesta tesi es presenten els comportaments i/o la resposta de dos materials magnètics en front a la radiació de microones, el qual pertany al rang de freqüències compres entre els 300 MHz i els 300 GHz. Per aquest propòsit, el Grup de Magnetisme, Superconductivitat, Microones i Baixes temperatures de la Universitat de Barcelona, disposa d’un analitzador de xarxes vectorial model E8361A de la companyia Agilent, que permet analitzar senyals electromagnètiques, transmeses i/o reflectides, entre 10 MHz i 110 GHz. Les dues classes de materials magnètics que s’han estudiat son: el granat d’itri-ferro, amb composició química corresponent Y3Fe5O12 (YIG) i la manganita de lantà i calci, amb composició química corresponent La0.25Ca0.75MnO3. En el cas del YIG, encara que és un material magnètic força estudiat, ens vàrem plantejar el seu estudi emprant nous dissenys de ressonadors de microones. Aquest fet, junt amb l’aparició de nous resultats experimentals inesperats, i mancats d’una interpretació, justifiquen el seu estudi en aquesta memòria de tesis. En el cas de la manganita, ens trobàrem en la situació oposada, no hi ha gaires publicacions sobre mesures experimentals de ressonància electrònica de espín en aquest tipus de materials. Juntament amb l’aparició de nous fenòmens magnètics no publicats, quan es va procedir a la seva sistemàtica i completa caracterització magnètica. Fets que justifiquen el seu estudi en aquesta memòria de tesis. Aquesta memòria de tesis està organitzada en dos capítols: El primer capítol està dedicat al granat de d’itri-ferro, material ferrimagnètic a temperatura ambient (la seva temperatura de Curie és de 550 K), i que té les pèrdues d’energia més petites de tots els materials coneguts, quan aquest està sotmès a una senyal electromagnètica de microones. Llavors, aquest material és el més indicat per a l’estudi del fenòmens associats a la ressonància ferromagnètica. Per tant, en aquest capítol es presenta una introducció a la tècnica i a la fenomenologia física associada a la ressonància magnètica; una descripció de les propietats físiques del granat d’itri-ferro i una introducció a l’electrònica de microones. Aquesta última servirà com fonament per comprendre els experiments de ressonància ferromagnètica a temperatura ambient; ja que en ells s’empren tres tipus de ressonadors de microones: dos ressonadors de línia de microtira lambda/2 i un tercer consistent en dos ressonadors lambda/2 de microtira acoblats electrònicament entre ells en els seus centres (en forma de X). Juntament amb l’analizador de xarxes vectorial i un electromagnet, que pot aplicar camps magnètics fins a 0.5 T. La mostra de YIG ha estat crescuda epitaxialment en les dues cares d’un disc de granat de gadolini-gal.li (Gd3Ga5O12). El conjunt té un gruix de 0.5 mm i un diàmetre de 4 mm; les dues capes de YIG tenen un gruix de 49.6 milimicres cadascuna. Els resultats experimentals ens mostren tres espectres de absorció associats a tres classes de modes magnetoestàtics, com conseqüència de tres tipus de distribucions espacials de camp magnètic de microones, que sent el disc de YIG. Observats a quatre freqüències de ressonància diferents. I no únicament a una freqüència fixada, sinó en el rang de freqüències que defineixen cada pic de ressonància de cada ressonador. Els resultats d’aquesta última classe d’experiments mostren una correspondència lineal entre la freqüència de microones i el camp magnètic aplicat, però no correspon amb la relació obtinguda a través de la teoria dels modes magnetoestàtics. Es van realitzar estimacions per descartar qualsevol efecte de potència o acoblament entre les dues capes de YIG, portant a l’única explicació possible que aquests modes magnetoestàtics estan interaccionant amb la radiació electromagnètica que ells mateixos generen en la mostra de YIG. Arrel d’això, s’ha ideat un model basat en aquesta conclusió, per explicar com canvien les relacions lineals entre la freqüència de microones i el camp magnètic aplicat, en presència de radiació electromagnètica. Model que explica satisfactòriament els resultats obtinguts en les mesures experimentals de ressonància ferromagnètica en YIG. El segon capítol està dedicat a l’estudi de la manganita La0.25Ca0.75MnO3 des del punt de vista magnètic i de la ressonància electrònica d’espín. Per això, en aquest capítol se realitza una introducció a la família de manganites La(1-x)CaxMnO3 , atenent a la seva fenomenologia magnètica. Degut a això, també es descriu el fenomen del esbiaix d’intercanvi i la dinàmica de sistemes superparamagnètics i de vidres de espín. Aquests seran els fonaments per entendre els resultats de la caracterització magnètica de dues manganites nanogranulars, que anomenarem A i B; les quals fóren fabricades pel mètode sol-gel y calcinades a 600ºC i a 1000ºC respectivament. Per poder realitzar aquestes mesures experimentals, es disposa d’un magnetòmetre MPMS que permet realitzar mesures de magnetització entre 2 K y 350 K, aplicant camps magnètics entre -5 T i 5 T, a més de realitzar mesures de susceptibilitat magnètica a diferents freqüències de camp magnètic altern entre 0.1 Hz i 1500 Hz. Els resultats obtinguts mostren que els nanogrànuls contenen, des del punt de vista magnètic, un nucli antiferromagnètic i una escorça formada per clústers ferromagnètics, que interactuen a través de l’interacció de intercanvi. A més, en la mostra B s’observa el fenomen de l’ordenament de càrrega a altes temperatures i la manifestació d’un vidre d’espín interficial a baixes temperatures, entre els clústers ferromagnètics i el nucli antiferromagnètic. Fets molt poc habituals en aquest tipus de mostres i que no es donen en la mostra A. Finalment, en les mesures de ressonància electrònica d’espín, es van emprar dues classes de ressonadors de microones: un ressonador coaxial i un ressonador de microtira curtcircuitat i alhora connectat en sèrie a una resistència de 50 Ohms, específica per senyals de radiofreqüència i microones. Amb ells, els resultats experimentals obtinguts per a la mostra A concorden amb el model hidrodinàmic per als vidres d’espín. Fet que permet estimar la dependència de la constant giromagnètica i la constant d’anisotropia uniaxial efectiva de la mostra A, amb la temperatura. La correlació entre l’anisotropia magnètica uniaxial efectiva i la temperatura concorda amb la corresponent als vidres d’espín i/o les nanopartícules magnètiques i a més, permet l’estimació de la seva temperatura d’ ordenament de càrrega, essent aproximadament de 225 K . El factor giromagnètic de la mostra A reflecteix un canvi de la seva estructura cristal.lina, associada als clústers ferromagnètics, mentre va variant la temperatura. Fet que es presenta com una alternativa a l’hora d’estudiar canvis estructurals en els cristalls. / In this doctoral thesis, the response against the microwave electromagnetic radiation of two well differentiated magnetic materials is studied: the yttrium-iron garnet and the nanogranular manganite of chemical composition La0.25Ca0.75MnO3. In the case of the yttrium-iron garnet (YIG), even though it is a well-known magnetic material, we considered its study using a new sort of microwave resonators. This fact, together with the obtaining of unexpected experimental results without physical interpretation, inspires its study in this thesis. In the case of the manganite, we had found the opposite situation, in the literature experimental studies in electron spin resonance (ESR) have hardly ever been reported in this kind of materials. Therefore, we decided to perform its study using different microwave resonators. It was necessary, as well, to characterize magnetically the samples to understand their behavior. Precisely in these last experimental measurements, performed following a complete and systematic procedure, we were able to explain new physical phenomenology never reported previously, until now, in this material. This doctoral thesis, entitled “Study of Magnetic Materials with Microwaves” is arranged in two chapters. The first one is devoted to the study of the ferromagnetic resonance in a disk-shaped YIG sample. The results show the appearance of three types of Magnetostatic Spin Forward Volume Waves (MSFVW), for three kinds of microstrip resonators (two linear ones and one X-shaped), related with three kinds of magnetic spatial distributions. The relationship between the microwave frequency and the applied magnetic field does not follow the theoretical model of MSFVW and, after some estimations, we concluded that this is caused by the interaction between the MSFVW and the electromagnetic radiation generated by them. This new fact is explained theoretically by the development of a new model, considering this last interaction. The second chapter is devoted to the study of nanogranular manganites of chemical composition La0.25Ca0.75MnO3, from the point of view of their magnetism and their ESR response. A complete and systematic magnetic characterization is performed firstly in two samples, named A and B. Both samples manifest exchange bias interaction between ferromagnetic shell clusters and antiferromagnetic core, in each nanograin. Moreover, in sample B, interficial spin-glass is observed at low temperatures and charge ordering transition at high temperatures. These facts are rarely reported in similar magnetic systems. And they are not observed in sample A. ESR experiments were performed in sample A with a coaxial resonator and a short-circuited microstrip resonator connected to a 50 Ohms series resistor. The results follow the hydrodynamic model, allowing the estimation of the effective magnetic anisotropy constant and the gyromagnetic factor at different temperatures. The first one shows the same thermal behavior expected for nanoparticles and/or spin-glasses, and it also allows the estimation of the charge ordering temperature of sample A around 225 K. The thermal dependence of the gyromagnetic factor shows the expected behaviour for the crystalline structure of a La0.25Ca0.75MnO3 nanoparticle system. This means that the calculation of the thermal behavior of gyromagnetic factor is an alternative to X-ray thermal studies.