En aquest treball s’han estudiat diferents aproximacions a la síntesi de compòsits de nanopartícules magnètiques en matrius de sílice de tipus aerogel o xerogel. Així, s’han obtingut materials amb propietats molt diferents tant pel que fa al seu magnetisme (materials durs o tous), a les seves propietats òptiques (transparents, opacs, anisotròpics) o la seva densitat, i se n’han estudiat algunes de les seves possibles aplicacions magnetoòptiques. Les matrius de sílice en forma de xerogel també s’han fet servir per a estabilitzar, gràcies al confinament, l’ε-Fe2O3, un polimorf metastable d’óxid de Fe (III) molt poc conegut. S’ha fet una caracterització de les propietats magnètiques del material i s’ha vist que la seva temperatura de Curie és de 510 K i que a temperatura ambient és un ferrimagnet colineal amb una imantació moderada (20 emu/g a saturació) i una anisotropia magnètica elevada que fan que la seva coercitivitat sigui molt elevada per a un òxid de Fe (20 kOe). Entre 150 i 80 K l’ε-Fe2O3 presenta una transició de fase magnètica i estructural de segon ordre que té com a resultat l’aparició d’una estructura magnètica incommensurada de tipus "ona quadrada". S’ha posat de manifest que coincidint amb aquesta transició de fase, el material presenta un acoblament magnetoelèctric. / In this Thesis, different approximations to the synthesis of composites of magnetic nanoparticles in silica aerogel or xerogel matrices have been studied. In particular, we have obtained materials with a range of different properties regarding its magnetism (hard or soft magnetic materials), optical properties (transparent, opaque, anisotropic) or density and we have studied its potential magneto-optical applications. The xerogel matrices have also been used to stabilize by confinement a rare iron (III) oxide polymorph, the ε-Fe2O3, which has not been much studied so far. The magnetic properties of the polymorph have been studied in detail and it has been established that it has a Curie temperature of 510 K. At room temperature, it presents a collinear ferromagnetic order with a moderate magnetization (20 emu/g at saturation) and a large magnetic anisotropy which result in a huge coercivity of about 20 kOe. Between 150 and 80 K, ε-Fe2O3 presents a second order magnetic and structural transition to a “square-wave” incommensurate magnetic order. Concomitantly with this transition it has been shown that the material presents a magnetoelectric coupling. / En este trabajo se han estudiado diferentes aproximaciones a la síntesis de composites de nanopartículas magnéticas en matrices de sílice de tipo aerogel o xerogel. Así, se han obtenido materiales con propiedades muy distintas tanto en relación a su magnetismo (materiales duros o blandos), a les sus propiedades ópticas (transparentes, opacos, anisotrópicos) o a su densidad, y se han estudiado algunas de sus posibles aplicaciones magnetoópticas. Las matrices de sílice en forma de xerogel también se han utilizado para estabilizar, gracias al confinamiento, el ε-Fe2O3, un polimorfo metaestable de óxido de Fe (III) muy poco conocido. Se ha hecho una caracterización de sus propiedades magnéticas y se ha establecido que su temperatura de Curie es de 510 K y que a temperatura ambiente es un ferrimagneto co-lineal con una imantación moderada (20 emu/g a saturación) y una anisotropía magnética elevada que hacen que su coercitividad sea muy elevada para un óxido de Fe (20 kOe). Entre 150 i 80 K el ε-Fe2O3 presenta una transición de fase magnética y estructural de segundo orden que da lugar a una estructura magnética inconmensurable de tipo "onda cuadrada". Se ha puesto de manifiesto que coincidiendo con esta transición de fase, el material presenta un acoplamiento magnetoeléctrico.

Se ha medido la masa del bosón W con los datos tomados en ALEPH a energías del centro de masas de 172 y 183 GeV. El método utilizado ha sido el de la reconstrucción directa de las partículas de decaimiento de los bosones W. Únicamente el canal hadrónico de decaimiento se ha analizado. Con la técnica de repeso se ha consegudio una medida de la masa muy precisa sin necesidad de usar una curva de calibración. Con la precisión de esta medida se ha conseguido restringir la región de masa del bosón de Higgs, aún sin descubrir. Regiones de masa pequeñas para el Higgs resultan ser más favorables, habiendo hecho uso de la medida de la masa del W antes obtenida. Hasta ahora no hay ninguna evidencia de contradicción entre teoría y experimento dentro del modelo estándar, modelo que rige la física de las interacciones entre partículas elementales.

El análisis que se expone en este tesis ha sido desarrollado en el contexto del experimento ATLAS, que forma parte del acelerador hadrónico de protones LHC, instalado en un tunel de 27 Km de diámetro situado en el CERN (Ginebra). ATLAS es uno de los cuatro detectores emplazados en el anillo del acelerador junto con CMS, LHCb y Alice. Ocho años después de que el acelerador electrón-positron LEP fuera desconectado, el LHC comenzará a tomar datos en noviembre del 2009, convirtiéndose en el mayor acelerador de hadrones del mundo, tanto en luminosidad como en energía de colisión (14 TeV en centro de masas). Muchas de las cuestiones que LEP dejó sin respuesta, como la existencia del bosón de Higgs o la existencia de partículas más allá del modelo estandar necesitan energías de colisión del orden del TeV y una enorme luminosidad para acumular estadística suficiente en el tiempo de vida del acelerador. Con estos requisitos se ha construido el LHC, del que se espera que dé respuesta a estas y otras preguntas fundamentales de la física durante los 10 años en los que estará tomando datos. El análisis ha demostrado que el proceso de producción de un par top-antitop que luego decae semileptónicamente con un leptón tau que decae hadrónicamente puede ser observado, con un correcto filtrado de los procesos de ruido, incluso con los primeros datos del detector ATLAS. El estudio, basado en una simulación de MonteCarlo demuestra que tres meses de funcionamiento a baja luminosidad sería suficiente para observar del orden de 200 events de señal. El único requisito es una buena comprensión de diferentes componentes del detector y algoritmos de reconstrucción, lo cual se espera realizar en los primeros meses de toma de datos. / The analysis presented in this thesis has been developed in the context of the ATLAS experiment, part of the Large Hadron Collider (LHC), installed in a 27 Km diameter underground tunel placed at CERN (Geneva). ATLAS is one among four detectors installed along the main ring of the accelerator together with CMS, LHCb and Alice. Eight years after the electron-positron accelerator (LEP) was turned off, LHC will start taking data in November 2009, becoming the largest hadron accelerator of the world in luminosity and collision energy (14 TeV in center of mass). Many of the unanswered question that remain after LEP, like the existence of a Higgs boson or the existence of beyond the Standard Model particles need energies of collision of the order of the TeV and a great luminosity in order to be able to accumulate enough statistics along the lifetime of the experiment. LHC was build to fulfill these requirements, from which we expect to answer these and other fundamental questions of the physics during the next 10 years. The analysis presented in this thesis has shown that the production process of a top antitop pair that later decays semileptonically with a tau lepton that decays hadronically can be observed, with a suitable event selection to reduce the physical background, even with the first data of the ATLAS experiment. The study is based on a MonteCarlo that shows that after three months taking data a low luminosity would be enough to observe about 200 signal events. The only requirement is a good knowledge of different components of the detector and reconstruction algorithms, what is expected to be achieved within the first months of data taking.

L’objectiu d’aquesta tesi és mesurar simultàniament la secció eficaç de producció de parelles t¯t i el coeficient Rb 1 a l’experiment ATLAS de l’LHC, a Ginebra. ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) és un dels quatre grans experiments que dur a terme noves investigacions sobre la matèria, l’energia i el temps en funcionament al Gran Col·lisionador d’Hadrons (LHC) al CERN. ATLAS va ser dissenyat per entendre perquè l’Univers és tal com ´es avui en dia. ´És capac¸ d’examinar els constituents més íntims de la matèria més enllà del que ho ha fet mai cap altre experiment i així poder explorar nous fenòmens fonamentals. Els descobriments dels secrets de la natura mitjançant les col·lisions de partícules dins del detector ATLAS és un desafiament científic i tecnològic sense precedents a la història. El detector ATLAS és de gran complexitat, essent el detector més gran mai construït dins el camp de la física de partícules. Hi ha diversos processos físics que tenen estats finals similars a la desintegració del top (bàsicament un leptó, quatre jets i energia transversa perduda (MET)) que considerem com a senyal. Com per exemple, la desintregració dels bosons W i Z a estats finals amb leptons i jets, esdeveniments de QCD que estan formats pràcticament de jets i MET, etc. Una bona identificació per una posterior eliminació d’aquests processos no interessants és de vital importancia per estimar amb una gran precisió els nostres esdeveniments de senyal. Un cop tenim la selecció del nostre senyal optimitzada per obtenir la màxima puressa de quarks top podem començar a fer la mesura de la secció eficaç de producció. Aquesta es fa mitjançant un ”fit” a la distribució de la massa reconstruïda del top hadrònic. Aprofitant la gran correlació que hi ha entre la secció eficac i el paràmetre de la matriu CKM (Vtb) hem inclòs aquest últim al fit, donant l’opció de buscar un límit per nova física. Per millorar els errors sistemàtics (amb 35 pb−1 era 10% a la secció eficaç) també incloem al fit els mateixos errors deixant-los lliures i són les propies dades les que redueixien l’error (amb 1 fb−1 serà 6% a la secció eficaç). Així doncs amb les dades que disposem ( 1 fb−1) podrem aconseguir la mesura més precisa (a data d’avui) per la secció eficaç del top quark i el factor Rb que dóna molt espai per interpretacions de nova física. / The goal of this thesis is the simultaneous measurement of the top quark pair cross-section and the Rb 1 in the ATLAS experiment at the LHC, the Large Hadron Collider, in the France-Swiss border near Geneva. ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS), the biggest detector in the LHC, is carrying out new investigations about matter, energy and time. ATLAS was built to understand the world as it is nowadays. The LHC is able to see the smallest constituent of matter far beyond any previous experiment in such a way that we can explore new fundamental phenomena of nature. From a theoretical point of view, the construction of the Standard Model started in the 1960s, giving a common framework for the new particles discovered in the SLAC and CERN colliders among others. After the discovery of the bottom quark, also member of the third quark family, physicists started looking for the top quark. There were some indirect evidences from the Z boson decays which were in agreement with theoretical predictions which included the unseen top quark. Finally, in 1995 at the Tevatron, Fermilab the top quark was discovered, being the heaviest elementary particle of the Standard Model discovered so far. Top decays are extremely complicated since all parts of the detector are required to detect them. Top decays involve leptons (electrons or muons), light jets, b-jets and missing transverse energy (MET). We are interested in the semileptonic decay formally expressed as t¯t ! q′¯qb′¯b and e or μ. There are some physics processes that also include this final state, mainly vector boson decays, but also single top and multi-jet processes which are made of light jets and MET. A good identification and a posterior purge of those not-interesting events is crucial to measure with a high precision our signal events. Once we make the optimal selection of our signal to obtain the purest selection of top quarks, we can proceed and measure the cross-section and Rb. The measurement is done through a profile fit to the reconstructed mass of the hadronic top. Including the profile technique, the systematic uncertainties are also treated as free parameter and therefore, with a high statistics sample, can be constrained by the data themselves. Finally, with 1 fb−1 of LHC data we measure the top quark cross-section with a precision of 6 %, already smaller than present theoretical error.

Graphene has shown extraordinary electronic and mechanical properties that can be applied in a wide variety of devices and technological fields. Exploring and controlling the different methods to obtain graphene is a crucial step for the successful implementation of this material. Epitaxial growth of graphene on metal surfaces by CVD processes has proven to be a reliable method to obtain graphene layers with good quality and, most importantly, scalable for industrial processes. In this thesis we study using Scanning Tunnel Microscopy at RT and at high temperature the Chemical Vapor Deposition (CVD) reaction that takes place in the Ni(111). We develop a method to grow graphene nanoislands on Ni(111) by tuning the parameters involved in the CVD reaction such as the crystal temperature, propene dose and reaction time. The method consist in dosing the propene at RT and heat the sample once the dosing process is complete during a controlled time. The temperature turns out to be the most determinant parameter. Heating the sample below 400 ºC results in the formation of Ni2C, a surface carbide that inhibits the formation of graphene at the surface. Heating the sample above 400 ºC results in the formation of graphene nanoislands with irregular shape. Above 500 ºC the number of islands diminishes strongly due to gas desorption. To obtain graphene nanoislands in a reproducible manner a minimum dose of 1 L is required, and the coverage of graphene increase with the total dose offered to the surface until it reaches the saturation value at 5 L. The heating time also has an effect in the formation of graphene nanoislands and is found to be optimum for 5 min. A post-reaction thermal treatment can lead to a shape transformaiton of the islands. Annealing at 500 ºC during 20 min forms triangular graphene nanoislands, while annealing the sample at 650 ºC for 10 min leads to hexagonal islands. The structure of the islands is systematically studied paying special attention to the stacking configuration and island edges. Most islands exhibit a 1x1 stacking, although some islands with rotational Moiré patterns were observed. Islands obtained after the thermal treatment have straight edges, which have a crystallographic orientation characteristic of zigzag edges. On the Ni(111) the zigzag hollow (zzh) edges are stable at RT but zigzag top (zzt) edges present a pentagon-heptagon reconstruction named zzt(57). Triangular nanoislands exhibit zzh edges with a predominant top-fcc stacking. The interaction between the substrate and the zzh edges is strong enough to produce stacking changes in some small triangular nanoislands and islands with top-hcp are occasionally observed. Hexagonal nanoislands have zzh and zzt(57) edges alternated.

El uso de moléculas orgánicas en dispositivos tecnológicos ofrece una serie de ventajas: su tamaño (~nm), su capacidad de auto ensamblan dando lugar a la formación de estructuras funcionales, y la posibilidad de adaptar sus propiedades electrónicas y magnéticas a través de los métodos de síntesis molecular. Sin embargo, la implementación de dispositivos orgánicos depende fundamentalmente de la comprensión entre la interacción de las moléculas y los electrodos de metal, así como las interacciones molécula-molécula. Esta tesis estudia las propiedades estructurales, electrónicas y magnéticas de las metal-ftalocianinas (MePc) adsorbidas sobre un sustrato metálico. MePcs son complejos metal-orgánicos con una química versátil y una estructura simple y robusta Mediante el uso de microscopía de efecto túnel (STM) y espectroscopia de efecto túnel de escaneo (STS) se ha estudiado la interacción molécula-sustrato y molécula-molécula de cuatro MePc (Me = Fe, Co, Ni y Cu) empezando desde moléculas individuales hasta multicapas de MePc en superficies de Ag (100). Se ha observado que la adsorción molecular de las MePc es paralela al plano del sustrato y es impulsada por la optimización del enlace entre el ligando con el sustrato de Ag, dando lugar a dos posibles orientaciones del eje molecular en la superficie. El desajuste de simetría entre la molécula y el sustrato provoca una hibridación asimétrica de diferentes orbitales moleculares. Como resultado, la molécula aquiral muestra un contraste quiral en la topografía de STM, quedando intacta su estructura química. Las fuerza laterales de van der Waals transfieren unívocamente la quiralidad electrónica de las moléculas individuales a niveles supramoleculares. La maduración de Ostwald provoca una ruptura espontanea de la simetría de la mezcla racémica inicial de los clústeres, obteniendo como resultado capas moleculares mesoscópicas homoquirales. Las propiedades electrónicas y magnéticas dependen de toda la molécula (ligando e ión central). Todas las moléculas reciben aproximadamente un electrón de la superficie, y en función del tipo de ión central y del carácter de sus d-orbitales frontera, el resultado es differente. Para los estados-d de baja energía o los que se encuentren en el plano molecular, como ocurre en NiPc / CuPc, son los orbitales de los ligandos orgánicos los que aceptan el electrón adicional conllevando a su hibridación. Esto hace que el electrón no apareado cree un momento magnético adicional en estas moléculas dejando intacto el estado magnético de los iones centrales. Para la CuPc, la interacción de canje intramolecular entre los electrones d y π conduce a la creación de un nuevo estado triplete (S = 1) en el estado fundamental. En cambio, en las moléculas de FePc y CoPc, la interacción a través de los estados-d fuera del plano molecular, provoca una reorganización compleja de carga dando lugar a la formación de un sistema de valencia mixta. En ambos casos esta interacción conduce a una reducción del momento magnético de los iones. Se ha estudiado la posibilidad de manipular el estado de espín de las MePc dopando átomo-por-átomo con donadores de electrones alcalinos. Se ha encontrado que en las moléculas de CuPc es posible dopar selectivamente tanto los estados del ligando como los del metal cambiando la colocación del alcalino. Esto permite controlar el estado de espín (0, 1/2, 1) y de carga (hasta 2 electrones adicionales) con un único dopante alcalino. El dopaje en monocapas de CuPc muestra que la interacción electrostática entre los átomos de Li de los complejos Li @CuPc vecinos conduce a un cruce de configuraciones estables en función de la dosis de Li, favoreciendo la transferencia a los estados de iones. Por último, se ha investigado el efecto de los dopantes magnéticos como los átomos de Fe en las moléculas de NiPc y CuPc. Se ha observado que no hay ninguna evidencia directa de un acoplamiento entre los momentos magnéticos de Fe y Cu. Sin embargo, la temperatura de Kondo de los átomos de Fe varía debido a cambios locales en su entorno modulados por la presencia del MePc. En general, estos resultados proporcionan una visión comprensiva de la interacción de las MePc con sustratos metálicos, así como de las propiedades magnéticas y de transporte en clústeres moleculares, monocapas y multicapas. / The use of organic molecules in technological devices offers a number of advantages: their intrinsic small size (~nm), their ability to self assemble into functional structures, and the possibility to tailor their electronic and magnetic properties through the methods of molecular synthesis. However, the implementation depends crucially on the understanding of the interaction between molecules and metal electrodes as well as molecule-molecule interactions. This thesis deals with the structural electronic and magnetic properties of Metal phthalocyanines (MePc) adsorbed on a metallic substrate. MePc are well-known metal organic complexes, with a versatile chemistry combined with a relatively simple and robust structure. By using Scanning Tunneling Microscopy (STM) and Scanning Tunneling Spectroscopy (STS), we studied the molecule-substrate and molecule-molecule interaction for four MePc (Me = Fe, Co, Ni Cu) starting from single molecules up to multilayer films on a Ag(100) surface. We found that the flat adsorption of MePc molecules is driven by bond optimization between the ligand with the underlying Ag substrate, resulting in two possible orientations of the molecular axis on the surface. The symmetry mismatch between molecule and substrate leads to an asymmetric hybridization of different molecular orbitals. As a result the structurally unperturbed achiral molecules show chiral contrast in STM topography. Lateral vdW forces univocally transfer the electronic chirality of single molecules to the organizational level in clusters. Ostwald ripening of the originally racemic mixture of clusters leads to spontaneous symmetry breaking resulting in mesoscopic homochiral molecular layers. The electronic and magnetic properties depend on the whole molecule (ligand and central ion). While all of molecules receive approximately one electron from the surface, depending on type of central ion, and the character of its frontier d-orbitals, the consequences are different. For d states lying low in energy or within the molecular plane, as is the case for NiPc/CuPc, the main hybridization channel are the organic ligands orbitals, leading to the acceptance of an extra electron here. This unpaired electron causes of an additional magnetic moment in these molecules, whereas the magnetic state of the central ions remains unperturbed. For CuPc intramolecular exchange coupling between d and π electrons leads to the creation a triplet (S=1) ground state. In contrast for FePc and CoPc, the interaction through the d states, oriented out of the molecular plane, creates a complex charge reorganization and mixed valence regime. In both cases this interaction leads to a reduction of ion's magnetic moment. We studied the possibilities to manipulate the spin and change state of MePcs through atom-by-atom doping with Alkali electron donors. For CuPc we found that ligand and metal states can be selectively doped by changing the alkali-molecule bonding configuration. This permits tailoring of the spin (0, 1/2, 1) and charge state with up to 2 extra electrons, and 1 with a single alkali dopant. The doping of CuPc monolayer films shows that the electrostatic interaction between Li atoms of neighboring Li@CuPc complexes leads to a crossover of stable configurations depending on the Li dosage, favoring the transfer to the ion states. Finally, we investigated the effect of magnetic dopants such as Fe atoms on NiPc and CuPc molecules. No direct evidence of a coupling between the magnetic moments of Fe and Cu was observed. However the Kondo temperature of the Fe atoms varies due to changes in their local environment modulated by the presence of the MePc. Overall, these results provide a comprehensive view of the interaction of MePc with metal substrates as well as the magnetic and transport properties of molecular cluster, monolayer and multilayers.

La espintrónica y la espín caloritronica en grafeno son campos de investigación muy activos, y esta tesis es una contribución a ambos campos. El tema principal es el estudio de la corriente de espín a través de métodos de inyección y detección eléctrica en válvulas de espín no locales de grafeno. Preliminarmente, estudiamos analíticamente el efecto túnel de electrones de conducción entre materiales ferromagnéticos y no magnéticos. En la parte experimental, se investiga la precesión de espín en las válvulas de espín de grafeno en suspensión. En este contexto, hemos desarrollado un nuevo método para la fabricación de dispositivos de grafeno suspendido que, además, proporciona una inyección y detección de espín más eficiente. Con el fin de investigar estas corrientes de espín más eficientes, hemos realizado medidas en función de la corriente inyectada. Estos experimentos han dado lugar a la demonstración experimental de un termopar de espín en grafeno. La predicción teórica de distancias de relajación de espín de varias decenas de micrómetros en grafeno nos ha motivado a estudiar las propiedades intrínsecas de grafeno. Para ello el grafeno es suspendido libremente, eliminando así las influencia de substrato y permitiendo a posteriori emplear métodos de limpieza. Con el fin de lograr este objetivo, hemos desarrollado un método de fabricación de válvulas de espín no locales de grafeno suspendido libremente, que implica la utilización en el proceso de un número mínimo de pasos y productos químicos. Dado que en este método no se emplean ácidos, el rendimiento de estos dispositivos de alta calidad se mejora notablemente comparado con dispositivos elaborados con un proceso de fabricación estándar. Por lo tanto, nuestros dispositivos presentan una excelente movilidad, alcanzando valores de 20.000cm^2/(Vs) a temperatura ambiente. La detección eléctrica de la precesión de espín nos permite extraer la longitud de relajación en estos dispositivos, encontrando valores de pocos micrómetros. Hemos observado además una alta eficiencia tanto de inyección como en la detección de espín en nuestros dispositivos. Esta mejora es atribuida a la formación de una barrera de carbono amorfo inducida por haz de electrones en la interfaz grafeno/electrodo ferromagnético. Estas interfaces son estables incluso a altas densidades de corriente. Obtenemos una mejora 10000x de la señal de espín con respecto a los contactos óhmicos. La resistencia de contacto y acumulación de espín aumentada sugiere que la interfaz es una combinación de contacto óhmico y barrera túnel. La simplicidad y capacidad de transferencia del proceso de fabricación contrasta con la complejidad de obtener barreras aislantes convencionales utilizadas hoy en día en dispositivos espintrónicos. Por tanto, esperamos que las barreras de carbono amorfo sean una alternativa viable para mejorar tanto la eficiencia en la inyección como en la detección de corrientes de espín en otros materiales distintos a grafeno. Por último, hemos realizado medidas en estos dispositivos en función de la corriente inyectada, observando un fenómeno nuevo gracias a las propiedades particulares de grafeno como su movilidad dependiente de la energía. Se demuestra que un aumento anómalo de la acumulación de espín en el punto Dirac, que es causado por calentamiento en los inyectores. Debido a este contribución de grados mayores para la acumulación de espín , los potenciales electroquímicos de los sub bandas de espín presentan un comportamiento supra lineal en función de la corriente de bias. El desdoblamiento de espín se hace tan grande que en el punto Dirac se observa una gran cantidad de portadores de espín y carga opuestos. Demuestramos que este constituye un termopar de espín, donde el voltaje termoeléctrico entre el espín hacia arriba y hacia abajo aumenta la acumulación total de espín / Spintronics and spin caloritronics in graphene are recently very active fields of research, and this thesis is a contribution to both. The main topic is the study of spin currents in graphene non local spin valves via means of electrical spin injection and detection. In a preliminary work, we analytically investigate the tunneling process of conduction electrons between ferro- and non magnetic materials. On the experimental side, we report on spin precession in freely suspended graphene spin valves. In this context, we have developed a novel method for the fabrication of freely suspended graphene devices, which additionally is beneficial for the spin injection/detection efficiency of the devices. In order to investigate these enhanced spin signals, we have performed bias dependent measurements, which lead to the experimental demonstration of a spin thermocouple in graphene. In order to investigate tunneling of conduction electrons between ferro- and non magnetic electrodes, we have developed a theoretical model based on the analytical solution of the one-dimensional, time-independent Schrˆdinger equation. The model shows that a complex behavior of the polarization is intrinsic to the tunneling process of electrons between ferro- and non magnetic materials. Spin relaxations times of several tens of micrometers in graphene have been predicted. A promising approach to studying the intrinsic properties of graphene is to suspend the flakes, thus eliminating the influence of the substrate and enabling cleaning methods. In order to achieve this, we have developed a method to fabricate freely suspended graphene non local spin valves that involves a minimal number of steps and chemicals. Since the method is acid free, the yield of high quality, as-processed devices is notably improved when comparing to the standard fabrication process. Therefore, our as-processed devices exhibit excellent mobility, as high as 20000 cm^2/(Vs) at room temperature. We demonstrate electrical detection of spin precession, allowing us to extract the spin relaxation length in these devices, finding values of a few micrometers. We expect that by applying cleaning methods to freely suspended spin valves, it will be possible to investigate the origins of spin relaxation in intrinsic graphene. We have further observed enhanced spin injection/detection efficiency in our devices. We attribute the enhancement to the formation of an amorphous carbon layer at the interface between graphene and ferromagnet due to electron beam induced deposition. The interfaces are stable even for large applied bias current densities. We obtain a 10000x enhancement of the spin signal as compared to Ohmic contacts, but expect further increase after optimizing the deposition method. The increased contact resistance and spin accumulation suggests that the interface has a combination of Ohmic and tunneling properties. The simplicity and transferability of the fabrication process is in contrast to those of the conventional insulators used in spintronics. Therefore, we expect that amorphous carbon barriers are a viable alternative, which might improve the spin injection/detection efficiency in other materials as well. Finally, we have performed bias dependent measurements in our samples, observing a novel phenomenon which is due to the particular properties of graphene such as its energy dependent mobility. We demonstrate an anomalous enhancement of the spin accumulation at the Dirac point, which is caused by heating in the injector contacts. Because of this higher order contribution to the spin accumulation, the electrochemical potentials of the spin sub bands exhibit supralinear behavior as a function of the bias current. The spin splitting becomes so large that at the Dirac point we observe a huge quantity of carriers of opposite spin and charge. We show that this constitutes a spin thermocouple, where the thermoelectric voltage between spin up and spin down enhances the total spin accumulation.

Desde el descubrimiento de los rayos X en 1895 y su primera aplicación médica un año después, se han desarrollado diferentes técnicas de imagen médica. La tomografía por emisión es una rama de las imágenes médicas que permite a los médicos realizar un seguimiento de los procesos fisiológicos en el paciente. Un compuesto radiactivo llamado radiotrazador se inyecta en el cuerpo del paciente. La molécula radiotrazador se elige para cumplir una tarea específica en el organismo que permite el seguimiento de un proceso fisiológico concreto. Los dos principales de técnicas de tomografía por emisión son PET y SPECT. En PET (Tomografía por Emisión de Positrones) el radiotrazador inyectado es un emisor de positrones. El positrón emitido se aniquila con un electrón produciendo un par de fotones gamma emitidos “back -to-back”. El escáner PET (por lo general de forma cilíndrica) detecta estos pares de fotones y reconstruye una imagen de la concentración del radiotrazador en el organismo. En SPECT (Tomografía Computarizada por Emisión Simple de Fotones) un solo fotón gammas es emitido en cada desintegración radiactiva del compuesto. El sistema de SPECT consiste en (al menos) una cámara gamma. Una cámara gamma está compuesta por un colimador mecánico y un fotodetector capaz de registrar la posición de la interacción. El colimador mecánico esta compuesto por un material denso con aperturas que sólo permite el paso de los fotones procedentes de una dirección particular. Los fotones colimados son detectados por el detector obteniendo una proyección del radiotrazador en el volumen del cuerpo del paciente. A partir de estas proyecciones se obtiene una imagen tomografía de la concentración del radiotrazador- SPECT es la técnica de tomografía de emisión más ampliamente utilizado debido a la gran variedad de radiotrazadores disponibles, y el bajo coste en comparación con PET. Sin embargo, SPECT tiene limitaciones intrínsecas debido a la colimación mecánica: baja eficiencia ya que sólo una fracción de los fotones gamma puede pasar a través del colimador, una relación proporcional inversa entre la eficiencia y la resolución de la imagen ( A mayor tamaño de las aperturas del colimador mayor será la eficiencia pero la resolución de la imagen empeorara) , y la cámara debe girar aumentando el tiempo de exposición . El concepto de cámara Compton fue concebido con el fin de superar estas limitaciones. Una cámara de Compton consta de dos detectores, llamados “scatterer” y “absorber”, trabajando en coincidencia. En un evento de coincidencia el fotón gamma (emitido por el radiotrazador) alcanza el “scatterer” y cambia de dirección como consecuencia de una interacción Compton. La gamma dispersada alcanza el “absorber" donde es absorbida en una interacción fotoeléctrica. Con la posición de ambas interacciones y las correspondientes energías, se puede reconstruir la superficie de un cono que contiene el punto desde donde el fotón gamma fue emitido. Con los conos reconstruidos a partir de varias coincidencias, es posible reconstruir una imagen de la actividad en el cuerpo del paciente. La cámara Compton tiene el potencial de superar todas las limitaciones intrínsecas de los SPECT ya que: cada gamma tiene una probabilidad de ser dispersado y producir una coincidencia, la resolución de la imagen no está vinculada a la eficiencia, y es posible obtener imágenes tridimensionales sin mover la cámara. Sin embargo, la complejidad de la reconstrucción de la imagen y los límites en la tecnología de detectores, han impedido que el concepto de cámara Compton se convertirse en un sistema de imagen médica viable. El proyecto VIP (“Voxel Imaging PET”) propone un diseño de detector de estado sólido (CdTe) con tecnología pixel para superar las limitaciones de los detectores basados en cristales de centelleo utilizados en PET. VIP cuenta con un diseño modular en el que el elemento básico es el modulo de detección. El módulo contiene los detectores de estado sólido que están segmentados en “voxels” de tamaño milimétrico. Gracias a un chip de lectura desarrollado en el proyecto, cada uno de los “voxels” del detector constituye un canal independiente para la medición de la energía, posición, y el tiempo de llegada de los fotones gamma detectados. Los módulos son apilados con el fin de formar los sectores de PET. Poner varios de estos sectores juntos, permite construir un anillo PET. Aunque el módulo VIP ha sido diseñado para el PET, la flexibilidad del diseño del módulo permite explorar otras posibles aplicaciones, como PEM (Mamografía por Emisión de positrones) y la cámara de Compton. En esta tesis se evaluará una cámara de Compton basado en el concepto detector VIP. Los detectores “scatterer” y “absorber” están compuestos de módulos de detección especial diseñados. Los módulos son apilados para crear los detectores. En el “scatterer” se utiliza Silicio como material activo a fin de maximizar la probabilidad de interacción Compton de los fotones. En el “absorber”, CdTe se utiliza como material activo con el fin de detener los fotones gamma que salen del “scatterer”. La excelente resolución en la energía de los detectores de estado sólido combinado con el tamaño milimétrico de los “voxels”, permiten obtener una alta precisión en la reconstrucción de los conos Compton que no se puede lograr con cristales de centelleo. En esta tesis vamos a utilizar simulaciones de Monte Carlo para evaluar y optimizar el diseño de la cámara Compton. Se utilizarán dos algoritmos de reconstrucción de imagen diferentes. La simulación nos permitirá obtener los parámetros geométricos óptimos, así como el rendimiento esperado de la cámara de Compton en términos de eficiencia en la detección y de resolución de la imagen. Se ha evaluado también un prototipo con menor campo de visión. / Since the discovery of the X-rays in 1895 and their first medical application one year later, many different medical imaging techniques have been developed. Emission tomography is a branch of medical imaging that allows the doctors to track physiological processes in the patient. A radioactive compound called radiotracer is injected in the body of the patient. The radiotracer molecule is chosen to fulfill an specific task in the organism allowing to track a concrete physiological process. The two main emission tomography techniques are PET and SPECT. In PET (Positron Emission Tomography) the injected radiotracer is a positron emitter. The emitted positron annihilates with an electron producing a pair of back-to-back gamma photons. The PET scanner (usually having a cylindrical shape) detects these photons pairs and reconstructs an image of the radiotracer concentration. In SPECT (Single Photon Emission Computerized Tomography) a single gamma photon is emitted in each radioactive decay of the radiotracer compound. The SPECT system consists of (at least) one gamma camera. A gamma camera is composed by a mechanical collimator and a position sensitive photodetector. The mechanical collimator consists of a thick material with holes that only allow the passing of photons coming from a particular direction. The collimated photons are detected by the photodetector obtaining a projection of the radiotracer in the volume of the patient body. A three dimensional image of the radiotracer concentration in the patient body is obtained from the projections obtained in several directions. SPECT is the most widely used emission tomography technique because of the large variety of available radiotracers, and the relative low cost when compared with PET. However, SPECT has intrinsic limitations due to the mechanical collimation: low efficiency as only a fraction of the gamma photons can pass through the collimator, an inverse proportional relationship between the efficiency and the image resolution (the bigger the collimator holes the higher the efficiency but the lower the image resolution), and the camera must be rotated increasing exposure time. The concept of Compton camera has been proposed in order to overcome those limitations. A Compton camera consists of two detectors, called scatterer and absorber, working in coincidence. In a coincidence event the gamma photon (emitted by the radiotracer) reaches the scatterer and undergoes a Compton interaction, scattering into a certain angle. The scattered gamma reaches the absorber where it undergoes a photoelectric interaction and is absorbed. Using the positions of both interactions and the corresponding deposited energies, one can reconstruct a cone surface which contains the emission point of the gamma photon. With the cones reconstructed from several coincidences, an image of the activity in the patient body can be obtained. The Compton camera has the potential to overcome all the intrinsic limitations of SPECT as: each gamma has a probability to be scattered and produce a coincidence event, the image resolution is not tied to the efficiency, and it is possible to obtain three dimensional images without moving the camera. However, the complexity of the image reconstruction and the limits in the detector technology has prevented the Compton camera concept to become a viable medical imaging system. The VIP (Voxel Imaging PET) project proposes a novel detector design based on pixelated solid state (CdTe) technology to overcome the limitations of scintillator detectors used in PET. VIP features a modular design in which the basic element is the detector module unit. The module contains the solid state detectors which are segmented in millimeter size voxels. Thanks to a dedicated read-out chip developed within the project, each one of the voxels is an independent channel for the measurement of energy, position, and time of arrival of the detected gamma photons. The module detectors are stacked in order to form PET sectors. Putting several of these sectors together leads to a seamless PET ring. Although the VIP module has been designed for PET, the flexibility of the module design allows to explore other possible applications like PEM (Positron Emission Mammography) and Compton camera. In this thesis we will evaluate a Compton camera based on the VIP detector concept. The scattering and the absorber detectors will be made from the stacking of specially designed module units. Silicon will be used as detector material in the scatterer in order to maximize the Compton interaction probability for the incoming gamma photons. In the absorber, CdTe will be used as detector material in order to stop the gamma photons emerging from the scatterer. The excellent energy resolution of the solid state detectors combined with the millimeter size of the detector voxels, result in a high accuracy in the reconstruction of the Compton cones that cannot be achieved with scintillator crystals. In this thesis we will use Monte Carlo simulations in order to evaluate and model the proposed Compton camera. Two different image reconstruction algorithms will be used. The simulation will allow us to obtain the optimal geometrical parameters as well as the expected performance of the Compton camera in terms of detection efficiency and image resolution. A smaller FOV (Field-Of-View) prototype will be also evaluated.

Grafeno es un material sobresaliente que ha sido el foco de atención de muchos científicos en años recientes. Junto con el grafeno, aparecieron muchos otros materiales bidimensionales (2D) como BN, dicalcogenuros de metales, ZnO, entre otros. En esta tesis, se presenta un estudio teórico de sistemas híbridos 2D compuestos de grafeno y BN, basado en los métodos de teoría del funcional de la densidad (DFT) y enlace fuerte (TB). La estructuras analisadas son heteroestructuras grafenno/BN apiladas y coplanares. Las estructuras apiladas forman patrones de moiré que están caracterizadas por el ángulo de rotación entre las dos capas. Cálculos DFT son llevados a cabo para sistemas con distintos ángulos, cada uno teniendo tamaños diferentes. La densidad de estados (DOS), la estructura de bandas y los desplazamientos atómicos debido a la relajación son analizados. Las depresiones en la DOS, también observadas experimentalmente en medidas de espectroscopía de efecto tunel, están situadas en energías que están de acuerdo a predicciones perturbativas. La estructura de bandas revela el origen de las depresiones como la aparición de un brecha energética a energias diferentes de cero. Una estimación de la intensidad del potencial del sustrato es obtenida de las energías locales atómicas. Luego, se estudian las propiedades de transporte en heteroestructuras de grafeno/h-BN apilados usando la información del potencial de superred de los cálculos DFT anteriores. La conductividad es calculada usando el formalismo de Kubo para transporte electrónico dentro de la descripción TB. El efecto del sustrato de h-BN es modelado como un término de masa adicional en el Hamiltoniano para representar una ruptura local de la simetría de subred. El camino libre medio y la resistividad son obtenidos, mostrando picos satélite que aparecen como un efecto del potencial del moiré. Las propiedades de híbridos coplanares son estudiadas. Después de una analisis con DFT de diferentes sistemas con interfases zigzag y armchair, se propone un modelo para describir estas heteroestructuras usando TB. El model se basa principalmente en las propiedades de polarización del h-BN. La discontinuidad en la polarización que aparece cuando el h-BN es cortado a lo largo de la dirección zigzag, da lugar a un campo eléctrico inducido que actúa en la region de grafeno. Se considera un modelo electrostático simple de cargas puntuales situadas en la interfase, el cual representa físicamente a la carga ligada acumulada en los bordes del h-BN. Los parámetros del modelo TB son ajustados a sistemas zigzag, pero se prueba que trabajan bien para interfases armchair y quirales. Finalmente, la constante piezoeléctrica de h-BN es calculada con DFT usando la teoría de polarización basado en fases de Berry. En superestructuras C/BN con interfases zigzag, la sintonización piezoeléctrica de la carga ligada inducidad por la polarización es estudiada tensando el sistema de manera perpendicular a la interfase. El comportamiento de estos sistemas es descrito de manera adecuada por la respuesta piezoeléctrica del h-BN prístino. De manera interesante, heteroestructuras grafeno/ BC2N también estudiadas, tienen una respuesta piezoeléctrica mayor que los híbridos con h-BN. También se aplica compresión en dirección paralela a la interfase zigzag, encontrando redistribución de carga que depende de la curvatura de las hojas. / Graphene is an outstanding material which has been the focus of attention of many scientist in recent years. With graphene, there appear many other two-dimensional (2D) materials like BN, metal dichalcogenides, ZnO, beside others. In this thesis, a theoretical study of 2D hybrid systems of graphene and BN is presented, based principally on first-principles density functional theory (DFT) and tight binding (TB) methods. The structures that are analysed are stacked and coplanar graphene/BN heterostructures. Stacked structures form moiré patterns that are characterized by the rotation angle between both layers. DFT calculations are performed for systems with different angles, each one having different sizes. The density of states (DOS), the band structure and atomic displacements due to relaxation are analysed. The dips in the DOS, also observed experimentally in scanning tunneling spectroscopy measurements, are found to be located at energies that are in agreement with perturbative predictions. The band structure reveal the origin of the dips, as a gap openning at non-zero energy. An estimation of the strength of the substrate potential is obtained from local atomic energies. Then, the transport properties of stacked graphene/h-BN heterostructures are studied using the information of the superlattice potential from the previous DFT calculations. The conductivity is calculated using the Kubo formalism of electronic transport within the TB description. The effect of the h-BN substrate is modelled as an additional mass term in the Hamiltonian to represent a local breaking of the sublattice symmetry. The mean free path and resistivity are obtained, showing satellite peaks appearing as an effect of the moiré potential. The electronic properties of coplanar hybrids are studied. After a DFT analysis of different systems with zigzag and armchair interfaces, a model is proposed to describe these heterostructures within TB. The model is mainly based in the properties of polarization of h-BN. The polarization discontinuity that appears when h-BN is cut along the zigzag direction gives place to an induced electric field that acts in the graphene region. A simple electrostatic model of point charges at the interface is considered, which represent the physical bound charge accumulated at the edge of h-BN. The parameters of the TB model are fitted to zigzag systems, but are proven to work with armchair and chiral interfaces. Finally, the piezoelectric constant of h-BN was calculated within DFT using the Berry-phase theory of polarization. In C/BN superlattices with zigzag interfaces, the piezoelectric tuning of the polarization induced bound charge is studied by applying tensile strain perpendicular to the interface. The behaviour of these systems is well described by the piezoelectric response of pristine h-BN. Interestingly, graphene/BC2N heterostructures, also studied, have a larger piezoelectric response than the hybrids with h-BN. Compressive strain parallel to the zigzag interface is also applied, finding a charge redistribution that depends on the curvature of the compressed layers.

Procesos en colisionadores hadronicos, como por ejemplo la producción de jets, pueden describirse con la teoría de la Cromodinámica Quántica (QCD). Descripciones precisas de procesos de producción de jets asociadas con un vector bosón tienen hoy en día gran relevancia ya que estos representan un fondo irreducible para otros procesos del Modelo Estándar y para la búsqueda de nueva física. El estudio experimental de la producción de b jets asociada con un bosón Z es crucial por varios motivos. Por un lado, este constituye la fuente de fondo más importante para la búsqueda del bosón de Higgs ligero que decae en una pareja de quarks b bbar y que es producido junto a un bosón Z. Este canal es uno de lo más importantes en la búsqueda del Higgs en el Tevatron en particular después que los nuevos resultados experimentales excluyeran la región de alta masa. Por otro lado, estados finales constituidos por b jets y un bosón Z son también fuente de contaminación en la búsqueda de nueva física como por ejemplo de supersimetria donde está permitido un acoplamiento fuerte del Higgs supersimétrico y el quark bottom. La medida de la sección eficaz de producción de b jets junto a un bosón Z ha sido realizada previamente en el Tevatron por los experimentos CDF and D0 y en LHC por CMS y ATLAS. En particular la medida de CDF se realizó utilizando solo 2 fb-1 de datos y por tanto resultó limitada por la incertidumbre estadística. Esta tesis doctoral presenta una nueva medida de la sección eficaz de Z/γ* +b jets utilizando todos los datos adquiridos por CDF durante el Run II.
 Los bosones Z/γ* son seleccionados vía su decaimiento a dos muones o dos electrones y pidiendo su masa se encuentre entre 66 y 116 GeV/c2, mientras los jets se han reconstruido con el algoritmo de MidPoint con un radio de 0.7 y requiriendo que sean centrales y de alto momento transverso.
 La sección eficaz se presenta como cociente respecto a la sección eficaz inclusiva de Z/γ y de Z/γ+jet y los resultados son comparados con predicciones al orden más bajo en teoría de perturbaciones (LO) más parton showers y del siguiente nivel (NLO) corregidas por los efectos no perturbativos como la hadronización y los relacionados con interacciones secundarias que no forman parte de la interacción fuerte. También se ha medido la sección eficaz diferencial en función del momento transverso y de la posición angular del jet y se han comparado con la predicción a NLO calculada en diversas escalas de energía y para distintas PDF . / Processes at hadron colliders, such as the production of jets, are described by the Quantum Chromodynamics theory (QCD). Precise descriptions of processes involving jets in association with a vector boson have nowadays large relevance as they represent irreducible background to other Standard Model (SM) processes and searches for new physics. The experimental study and understanding of the b-jet production in association with a Z boson are crucial for many reasons. For one side, it is the most important background for a light Higgs boson decaying into a bottom-antibottom quark pair and produced in the ZH mode. This is one of the most promising channels for the Higgs search at Tevatron in particular since the latest results have excluded the high mass region (MH > 127 GeV/c2 ). For another side the signature of b-jets and a Z boson is also background to new physics searches, such as supersymmetry, where a large coupling of the Higgs boson to bottom quarks is allowed. The production cross section measurement of b-jets in events with a Z boson has already been performed at hadron colliders, at the Tevatron by CDF and D0 experiments and are now pursued at the LHC by ATLAS and CMS. In particular the CDF measurement was performed with only 2 fb-1 and was limited by the statistical uncertainty. This PhD thesis presents a new measurement of the Z/γ*+b-jet production cross section using the complete dataset collected by CDF during the Run II. Z/γ* bosons are selected in the electron and muon decay modes and are required to have 66 < MZ < 116 GeV/c2 while jets, reconstructed with the MidPoint algorithm, have to be central (|Y| < 1.5) with pT > 20 GeV/c . The per jet cross section is measured with respect to the Z/γ* inclusive and the Z/γ*+jets cross sections. Results are compared to leading order (LO) event generator plus parton shower and next-to-leading order (NLO) predictions corrected for non perturbative effects such as hadronization and underlying event. Differential distributions as a function of jet transverse moment and jet rapidity are also presented together with the comparison to NLO pQCD predictions for different renormalization and factorization scales and various PDF sets.