Esta tesis trata sobre los magnetoel ectricos multiferroicos, una clase relativamente nueva de materiales descubiertos a mediados del siglo pasado, que presentan simultaneamente ferroelectricidad y magnetismo. El BiFeO3 (BFO) es un oxido con estructura perovskita, el cual es uno de los pocos materiales multiferroicos a temperatura ambiente. Sin embargo, como sus temperaturas de ordenamiento ferroel ectrico y anti-ferromagn etico son relativamente altas (alrededor de 1100 K y 640 K, respectivamente), las respuestas electromec anica y magnetoel ectrica del BFO son relativamente peque~nas en condiciones ambientales. En esta tesis se utilizamos m etodos ab-initio, basados en la teor a del funcional de la densidad (DFT), para estudiar las propiedades del BFO, y proponemos una posible estrategia para la mejora de su respuesta. Hemos utilizado m etodos de primeros principios para llevar a cabo una b usqueda sistem atica de las fases potencialmente estables de este compuesto. En la que consideramos las distorsiones m as comunes entre los oxidos de tipo perovskita y encontrando un gran n umero de m nimos locales de la energ a. En este trabajo se discute la gran variedad de estructuras de baja simetr a descubiertas, as como las implicaciones de estos hallazgos en cuanto a los trabajos experimentales mas recientes sobre este compuesto. Tambi en se llev o acabo un estudio de la soluci on s olida Bi1 ��xLax FeO3 (BLFO) formada por la BFO y la LaFeO3 (LFO)antiferromagnetica parael ectrica. Se discuten las transformaciones estructurales que sufre BLFO en funci on del contenido de La, y la conexi on de nuestros resultados con los estudios cristalogr a cos existentes. Hemos encontrado que, en una amplia gama de composiciones intermedias, la BLFO presenta fases que son esencialmente degeneradas en energ a. Adem as, los resultados sugieren que para este compuesto, dentro de esta regi on morfotr opica inusual, se puede utilizar un campo el ectrico para inducir transiciones parael ectrico a ferroel ectrico. Tambi en se discuten las propiedades de respuesta de la BLFO y se demuestra que se pueden mejorar signi cativamente en los materiales puros BFO y LFO, mediante la sustituci on parcial de los atomos Bi y La . Por otra parte, se presenta tambi en un estudio de primeros principios de la BFO a altas presiones. En el cual explicamos la naturaleza de las transiciones de fase del BFO, que simult aneamente involucran un colapso del volumen, un cambio en el estado de spin de High spin a Low spin y una metalizaci on producto del desorden magn etico en la nueva fase. Por ultimo presentamos los resultados preliminares de un proyecto en marcha, en el cual estamos modelando la energ etica de las rotaciones de los octaedros de oxigeno en los oxidos de estructura perovskita. Para ello se ha expandido la energ a en funci on de los par ametros de orden que caracterizan dichas rotaciones hasta cuarto orden. Hemos teado el modelo a los resultados de nuestros c alculos de primeros principios y realizado una comprobaci on cuidadosa de su valides, determinando que es necesario recurrir a ordenes mas altos en nuestra teor a. / This work is about magnetoeltric multiferroics, a relatively new class of ma- terials discovered by the mid of the past century, which involve simultaneously ferroelectricity and magnetism. Perovskite oxide BiFeO3 (BFO) is one of the few multiferroic materials at room temperature. However, as its ferroelectric and anti- ferromagnetic transition temperatures are relatively high (about 1100 K and 640 K, respectively), BFO's electromechanical and magnetoelectric responses are small at ambient conditions. In this thesis we used ab-initio methods, based on density functional theory, to study the basic properties of BFO and proposed possible strategies for enhancing its response. We used rst-principles methods to perform a systematic search for potentially stable phases of BFO. We considered the distortions that are most common among perovskite oxides and found a large number of local minima of the energy. We discussed the variety of low-symmetry structures discovered, as well as the implications of these ndings as regards current experimental work on this compound. We also carried out a study of the Bi1 �xLaxFeO3 (BLFO) solid solution formed by multiferroic BFO and the paraelectric antiferromagnet LaFeO3 (LFO). We dis- cussed the structural transformations that BLFO undergoes as a function of La content and the connection of our results with the existing crystallographic stud- ies. We found that, in a wide range of intermediate compositions, BLFO presents competitive phases that are essentially degenerate in energy. Further, our results suggested that, within this unusual morphotropic region, an electric eld might be used to induce various types of paraelectric-to-ferroelectric transitions in the compound. We also discussed BLFO's response properties and showed that they can be signi cantly enhanced by partial substitution of Bi/La atoms in the pure BFO and LFO materials. We analyzed the atomistic mechanisms responsible for such improved properties and showed that the e ects can be captured by simple phenomenological models that treat explicitly the composition x in a Landau-like potential. Furthermore, we performed a rst-principles study of BFO at high pressures. Our work revealed the main structural change in Bi's coordination and suppression of the ferroelectric distortion, electronic spin crossover and metallization, and mag- netic loss of order e ects favored by compression and how they are connected. Our results are consistent with and explain the striking manifold transitions observed experimentally We conclude our thesis presenting the preliminary results of an ongoing project in which we are modeling the energetics of the oxygen octahedra rotations in per- ovskite oxides. The model is tted to the rst-principles results and a careful check of its validity is carried out.

Anticipated Synchronization (AS) is a form of synchronization that occurs when a unidirectional influence is transmitted from an emitter to a receiver, but the receiver system leads the emitter in time. This counterintuitive phenomenon can be a stable solution of two dynamical systems coupled in a master-slave configuration when the slave is subject to a negative delayed self-feedback. Many examples of AS dynamics have been found in different systems, however, theoretical and experimental evidence for it in the brain has been lacking. In this thesis work we investigate the existence of AS in neuronal circuits when the delayed feedback is replaced by an inhibitory loop mediated by chemical synapses. At the neuronal level, we show the existence of AS in 3-neuron or 3-neuron-populations microcircuits, where the self-feedback is provided either by an interneuron or by a subpopulation of inhibitory neurons. A smooth transition from delayed synchronization (DS) to AS typically occurs when the inhibitory synaptic conductance is increased. The phenomenon is shown to be robust for a wide range of model parameters within a physiological range. The role of spiketiming- dependent plasticity in DS-AS transitions is also investigated. The results obtained from the model are compared with those obtained experimentally in monkeys performing certain cognitive tasks. In some cases a dominant directional influence from one cortical area to another is accompanied by either a negative or a positive time delay. We present a model for AS between two brain regions and compare its results to the experimental data, obtaining an excellent agreement. / La sincronización anticipada (SA) es una forma de sincronización que se produce cuando una influencia unidireccional se transmite desde un emisor a un receptor, pero el sistema receptor adelanta al emisor en el tiempo. Este fenómeno, contrario a la intuición, puede ser una solución estable de dos sistemas dinámicos acoplados en una configuración maestro – esclavo cuando el esclavo está sujeto a una retroalimentación negativa retardada. Hay muchos ejemplos de SA que se han encontrado en diferentes sistemas, sin embargo, no existe evidencia ni teórica ni experimental de que ocurra en el cerebro. En este trabajo de tesis se investiga la existencia la SA en circuitos neuronales cuando la realimentación retardada se sustituye por un bucle inhibitorio mediado por sinapsis químicas. A nivel neuronal, se muestra la existencia de SA en circuitos de 3 neuronas o 3 poblaciones de neuronas, donde la retroalimentación la proporciona una interneurona o una subpoblación de neuronas inhibitorias. Una transición de sincronización retrasada (SR) a SA se produce suavemente cuando se incrementa la conductancia sináptica inhibitoria. Se encuentra que el fenómeno es robusto para una amplio espectro de parámetros del modelo dentro del rango fisiológico. También se investiga el papel de la plasticidad neuronal en la transición SR-SA. Los resultados obtenidos a partir del modelo se comparan con los obtenidos experimentalmente en monos cuando realizan ciertas tareas cognitivas. En algunos casos, una influencia direccional dominante de un área cortical a otra se acompaña de un retardo que puede ser negativo o positivo. Se presenta un modelo para las relaciones entre dos regiones corticales del cerebro y se compararan los resultados numéricos con los datos experimentales, obteniendo un excelente acuerdo.

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.

Anticipated Synchronization (AS) is a form of synchronization that occurs when a unidirectional influence is transmitted from an emitter to a receiver, but the receiver system leads the emitter in time. This counterintuitive phenomenon can be a stable solution of two dynamical systems coupled in a master-slave configuration when the slave is subject to a negative delayed self-feedback. Many examples of AS dynamics have been found in different systems, however, theoretical and experimental evidence for it in the brain has been lacking. In this thesis work we investigate the existence of AS in neuronal circuits when the delayed feedback is replaced by an inhibitory loop mediated by chemical synapses. At the neuronal level, we show the existence of AS in 3-neuron or 3-neuron-populations microcircuits, where the self-feedback is provided either by an interneuron or by a subpopulation of inhibitory neurons. A smooth transition from delayed synchronization (DS) to AS typically occurs when the inhibitory synaptic conductance is increased. The phenomenon is shown to be robust for a wide range of model parameters within a physiological range. The role of spiketiming- dependent plasticity in DS-AS transitions is also investigated. The results obtained from the model are compared with those obtained experimentally in monkeys performing certain cognitive tasks. In some cases a dominant directional influence from one cortical area to another is accompanied by either a negative or a positive time delay. We present a model for AS between two brain regions and compare its results to the experimental data, obtaining an excellent agreement. / La sincronización anticipada (SA) es una forma de sincronización que se produce cuando una influencia unidireccional se transmite desde un emisor a un receptor, pero el sistema receptor adelanta al emisor en el tiempo. Este fenómeno, contrario a la intuición, puede ser una solución estable de dos sistemas dinámicos acoplados en una configuración maestro – esclavo cuando el esclavo está sujeto a una retroalimentación negativa retardada. Hay muchos ejemplos de SA que se han encontrado en diferentes sistemas, sin embargo, no existe evidencia ni teórica ni experimental de que ocurra en el cerebro. En este trabajo de tesis se investiga la existencia la SA en circuitos neuronales cuando la realimentación retardada se sustituye por un bucle inhibitorio mediado por sinapsis químicas. A nivel neuronal, se muestra la existencia de SA en circuitos de 3 neuronas o 3 poblaciones de neuronas, donde la retroalimentación la proporciona una interneurona o una subpoblación de neuronas inhibitorias. Una transición de sincronización retrasada (SR) a SA se produce suavemente cuando se incrementa la conductancia sináptica inhibitoria. Se encuentra que el fenómeno es robusto para una amplio espectro de parámetros del modelo dentro del rango fisiológico. También se investiga el papel de la plasticidad neuronal en la transición SR-SA. Los resultados obtenidos a partir del modelo se comparan con los obtenidos experimentalmente en monos cuando realizan ciertas tareas cognitivas. En algunos casos, una influencia direccional dominante de un área cortical a otra se acompaña de un retardo que puede ser negativo o positivo. Se presenta un modelo para las relaciones entre dos regiones corticales del cerebro y se compararan los resultados numéricos con los datos experimentales, obteniendo un excelente acuerdo.

The subject of this thesis is viscous fingering in Hele-Shaw cells, or Hele-Shaw flows. We look for insights into the fundamental mechanismsunderlying the physics of interface dynamics, which we hope will exhibit some degree of universality. The aim is twofold: on the one hand we focus on the role of surface tension and viscosity contrast in the dynamics of fingering patterns. On the other hand we introduce a modification of the original problem and study the effects of a inhomogeneous gap between theplates of a Hele-Shaw cell.A dynamical systems approach to competition of Saffman-Taylor (ST) fingers in a Hele-Shaw channel is developed. This is based on global analysis of the phase space flow of the ODE sets associated to the exact solutions of the problem without surface tension. A general proof of the existence of finite-time singularities for broad classes of solutions is given. The existence of a continuum of multifinger fixed points and its dynamical implications are discussed. We conclude that exact zero-surface tension solutions taken in a global sense as families of trajectories in phase space are unphysical because the multifinger fixed points are nonhyperbolic. Hyperbolicity (saddle-point structure) of multifinger fixed points is argued to be essential to the physically correct qualitativedescription of finger competition. The restoring of hyperbolicity by surface tension is proposed as the key point to formulate a generic Dynamical Solvability Scenario for interfacial pattern selection.We study the singular effects of vanishingly small surface tension on the dynamics of finger competition in the Saffman-Taylor problem, using the asymptotic techniques developed by Tanveer and Siegel, and numerical computation, following the numerical scheme of Hou, Lowengrub, andShelley. We demonstrate the dramatic effects of small surface tension on the late time evolution of two-finger configurations with respect to exact(non-singular) zero-surface tension solutions. The effect is present even when the zero surface tension solution has asymptotic behavior consistent with selection theory. Such singular effects therefore cannot be traced back to steady state selection theory, and imply a drastic global change in the structure of phase-space flow.Finger competition with arbitrary viscosity contrast (or Atwood ratio) isstudied by means of numerical computation. Two different types of dynamicsare observed, depending on the value of the viscosity contrast an theinitial condition. One of them exhibits finger competition and ends up inthe ST finger. In opposition, the second dynamics does not exhibit fingercompetition and the long time dynamics seems attracted to bubble shapedsolutions. An initial condition appropriate to study the ST finger basinof attraction is identified, and used to characterize its dependence onthe viscosity contrast, obtaining that its size decreases for decreasingviscosity contrast, being very small for zero viscosity contrast. The STfinger is not the universal attractor for arbitrary viscosity contrast. Analternative class of attractors is identified as the set of Taylor-Saffmanbubble solutions, and one important implication of this result is that theinterface is strongly attracted to finite time pinchoff.A nonlocal interface equation is derived for two-phase fluid flow, witharbitrary wettability and viscosity contrast c, in a model porous medium defined as a Hele-Shaw cell with random gap b. Fluctuations of both capillary and viscous pressure are explicitly related to the microscopic quenched disorder, yielding conserved, non-conserved and power-law correlated noise terms. Two length scales are identified that control the possible scaling regimes and which depend on capillary number Ca as l sub 1 = b sub zero (c Ca)(superindex -1/2) and l sub 2 = b sub zero/Ca. Exponents for forced fluid invasion are obtained from numerical simulation and compared with recent experiments,obtaining good partial agreement.

Ytterbium and erbium doped RbTi1-xMxOPO4 (M = Nb or Ta) crystals.New laser and nonlinear bifunctional materials.L'objectiu d'aquesta tesi va ser millorar la qualitat dels cristalls de RbTi1-xNbxOPO4 dopatsamb Yb3+, obtinguts mitjançant la tècnica Top Seeded Solution Growth-Slow Cooling (TSSG-SC), itambé trobar un altre codopand el qual incrementés la concentració de Yb3+ en els cristalls deRTP, però sense reduir la resposta no lineal dels cristalls de RTP pur. Aquest ió codopandhauria de presentar les mateixes característiques que el Nb5+. Un altre objectiu d'aquesta tesi vaser l'obtenció d'una manera efectiva de fluorescència del Er3+, al voltant de 1.5 &#956;m, la qualdonarà lloc a l'obtenció de radiació làser a aquesta longitud d'ona. Per aconseguir aquest últimobjectiu, es van dopar cristalls de Nb:RTP amb la parella de ions actius Er3+/Yb3+, actuant elYb3+ per sensibilitzar el Er3+.Per aconseguir el primer objectiu proposat, millorar la qualitat i la mida dels cristalls deNb:RTP dopats amb Yb3+, es van optimitzar algunes condicions de creixement, tal com la rampade refredament aplicada durant el procés de creixement, el perfil tèrmic axial de la solució i laqualitat dels gèrmens emprats en les experiències de creixement. Amb aquestes modificacionses van obtenir cristalls de mida i qualitat suficients per tal de preparar mostres, en una de lesquals s'ha obtingut radiació làser al voltant de 1 &#956;m. Amb les mostres obtingudes també s'hapogut determinar la longitud d'ona fonamental per l'acord de fase no crític en la qual es donariala generació de segon harmònic de tipus II en el pla xy, determinant que seria possible obtenirradiació làser autodoblada en la regió espectral del verd en aquest pla a q = 90º i j &#8776; 45º.El segon objectiu, trobar un ió codopand, amb el qual es pogués obtenir aproximadamentla mateixa concentració de Yb3+ que l'obtinguda en cristalls de Nb:RTP, es va assolir utilitzant elTa5+ com a ió codopand. En cristalls volúmics de Ta:RTP es va aconseguir una concentració deYb3+ de 1.6×1020 ions/cm3 i l'eficiència de generació de segon harmònic obtinguda va ser un 80% de la del KTiOPO4 pur. Amb aquests resultats, podem pensar que en els cristalls de Ta:RTPdopats amb Yb3+ també es podria aconseguir radiació làser autodoblada en la regió espectral delverd.Pel que fa a l'augment de l'eficiència de la fluorescència del Er3+, mitjançant el codopatgede cristalls de Nb:RTP amb la parella d'ions actius Er3+/Yb3+, al voltant de 1.5 &#956;m, s'haaconseguit, fins i tot en mostres amb poca concentració de Er3+ (<1020ions/cm3).A més, cal afegir que també s'ha realitzat un estudi comparatiu entre la conductivitatiònica del RTP pur, del RTP crescut en solució de tungstè, Nb:RTP i Nb:RTP dopat amb Yb3+.Totes les mesures s'han realitzat en plaques polides perpendiculars a la direcció cristal logàficac, i dels resultats obtinguts s'han pogut extreure algunes conclusions. Que no hi ha diferènciesentre les conductivitats iòniques de cristall de RTP purs i els crescuts en flux de tungstè, peròen mostres de Nb:RTP la conductivitat augmenta considerablement, tenint una conductivitat del'ordre de l'obtinguda pel KTP (10-7-10-5 S/cm), i que les mostres de Nb:RTP dopades amb Yb3+presenten una conductivitat iònica lleugerament superior (10-8 S/cm) a la que presenten lesmostres de RTP (10-9 S/cm).Ytterbium and erbium doped RbTi1-xMxOPO4 (M = Nb or Ta) crystals.New laser and nonlinear bifunctional materials.The aim of this thesis was not only to enhance the quality and size of Yb dopedRbTi1-xNbxOPO4 (Nb:RTP) crystals obtained by the Top Seeded Solution Growth-Slow Cooling(TSSG-SC) technique, but also to find another codopand which increases the Yb3+ concentrationin RTP without reducing drastically the nonlinear optical response of pure RTP; so a codopandwhich shows the same characteristics of niobium. Another objective of this thesis was to obtainefficient fluorescence of Er3+ at around 1.5 &#956;m which would lead to laser action at thiswavelength, by codoping Nb:RTP with the pair Er3+/Yb3+, acting Yb3+ as a sensitizing ion of Er3+.To achieve the first objective proposed, enhance the quality and size of Yb:Nb:RTP, weoptimize some growth conditions, such as the cooling ramp applied during the crystal growthprocess, the thermal axial gradient of the solution and the quality of the crystals seeds used inthe crystal growths. With those modifications we obtain crystals with size and quality enough toprepare samples from which laser action at around 1 &#956;m has been obtained, for the first time ina crystal of the KTP family, and to determine the fundamental wavelength for non-critical type -II SHG in the xy plane, determining that in this plane, at q = 90º and j &#8776; 45º it will be possibleto obtain self-frequency doubling laser action in the green spectral range. The second objective,find a codopand with which Yb3+ concentration in RTP was in the range of the one obtained inNb:RTP, it was achieved by using tantalum. Firstly, it was determined how the RTPcrystallization region changes with the Ta5+ and Yb3+ introduction, and which was the optimalsolution composition to achieve a higher Yb3+ concentration. With this optimal solutioncomposition bulk crystal of Yb doped RbTi1-xTaxOPO4, grown by TSSG-SC technique, with a Yb3+concentration of 1.6×1020 ions/cm3 were obtained and the SHG efficiency of powdered sampleswas an 80 % of that of pure KTP. So, as the Yb3+ concentration obtained in Ta:RTP is of thesame order of the one obtained in Nb:RTP, the SHG efficiency is not drastically decreased, andthe refractive indexes measured at 632.8 nm do not differ significantly from the ones ofYb:RbTi1-xNbxOPO4, we can assume that in Yb:RbTi1-xNbxOPO4 crystals could also be possible toobtain self-frequency laser action in the green spectral range. About the enhancement of the IRfluorescence of Er3+ by codoping Nb:RTP with Yb3+, bulk crystals of codoped Er3+/Yb3+ Nb:RTPwere grown from solutions containing always the same Yb2O3 mol % and by modifying the Er2O3mol % added in the initial solution. The spectroscopic characterization of these crystals showsthe Er3+ fluorescence at around 1.5 &#956;m by pumping between 900 nm and 980 nm, even in thecrystals containing low Er3+ concentration (<1020ions/cm3).Moreover to these results, a comparative study between the ionic conductivity of pureRTP grown in its self flux, RTP grown in tungsten flux, Nb:RTP and Yb:Nb:RTP had beenperformed, in polished plates perpendiculars to c crystallographic direction, to see how itevolves in the mentioned crystals. The results obtained showed that there are no differencesbetween the ionic conductivity in RTP samples, grown in its self flux or in tungsten flux, but inNb:RTP the ionic conductivity increases considerably. Nb:RTP shows an ionic conductivity of theorder of the KTP one (10-7-10-5 S/cm), but in Yb:Nb:RTP the conductivity is only a little bithigher (10-8 S/cm) of the RTP one (10-9 S/cm).

Growth and Characterisation of RbTiOPO4: (Nb,Ln). A New frequency Doubling Crystal.Joan Josep Carvajal MartíFísica I Cristal·lografia de MaterialsDepartament de Química Física i InorgànicaUniversitat Rovira i VirgiliResumDes que Schawlow i Townes varen publicar que el principi del M.A.S.E.R. es podia estendre a la part òptica de l'espectre electromagnètic, i un any i mig més tard Mainman demostrava el primer làser, la importància d'aquest, tant per la societat, s'ha anat incrementant. Avui, els làser formen part de la nostra vida quotidiana.Actualment, l'interès en desenvolupar nous làser per l'emmagatzematge de dades i altres aplicacions s'ha incrementat gràcies a la recerca en làsers de semiconductors de banda ampla, generació d'harmònics per phase-matching en cristalls d'òptica no-lineal, quasi-phase-matching en cristalls, fibres òptiques i altres guies d'ona, i làsers d'up-conversion en cristalls i fibres. Els làsers d'estat sòlid compactes són útils en una amplia gamma d'aplicacions, com l'emmagatzematge de dades en alta densitat, projecció d'imatges en color, impressió làser, medicina, substitució dels làsers d'Ar, biofluorescència, comunicacions submarines, litografia estereogràfica, teràpia fotodinàmica.... Aquests nous làsers es poden aconseguir per processos d'up-conversion, que emeten a una longitud d'ona més curta que la de bombeig. Una alternativa interessant és la conversió de freqüència per processos d'òptica no-lineal. Els cristalls autodobladors de freqüència són cristalls d'òptica no-lineal amb posicions estructurals ocupades per ions actius làser, preferiblement Yb3+, que poden combinar l'emissió làser al voltant d'1 um amb la generació de segon harmònic de la matriu per produir emissió verda per autodoblatge de freqüència. L'objectiu principal d'aquesta Tesi Doctoral ha estat l'obtenció de cristalls de la família del KTiOPO4, coneguts per les seves excel·lents propietats d'òptica no-lineal, dopats amb ions lantànids (Ln). Hem mostrat que és poden obtenir cristalls de RbTiOPO4: (Nb,Ln) de bona qualitat òptica per la tècnica top-seeded solution growth amb un refredament lent de la solució, de mida útil per posteriors caracteritzacions i aplicacions, i amb una concentració de Ln similar a l'obtinguda en altres matrius làser i un codopant, que afavoreix l'entrada d'ions lantànids en la matriu a l'hora que fa de compensador de càrrega, com és el niobi (Nb5+). El refinament de l'estructura ha demostrat que tant el Nb com els lantànids substitueixen únicament al Ti en la xarxa cristal·lina. Mentre que el Nb5+ només substitueix al Ti en la posició Ti (1), degut a un efecte electrostàtic més que no pas estèric, els ions lantànids substitueixen als àtoms de Ti en els octàedres Ti(1)O6 i Ti(2)O6 amb la mateixa probabilitat. Un altre aspecte a destacar és l'habilitat del material per tal d'autocompensar-se elèctricament de la substitució pentavalent del Nb5+ a través de la creació de vacants de rubidi. L'evolució d'aquesta estructura amb la temperatura mostra com el canvi de fase de l'estructura ferroelèctrica depèn del contingut en Nb i que la substitució de Ti4+ pel parell (Nb5+-Rb+) estabilitza la fase d'alta temperatura d'aquests materials. La caracterització òptica de la matriu cristal·lina ha mostrat que l'increment de la birefringència de cristall possibilita l'increment de l'interval de doblatge de longituds d'ona que es pot efectuar amb aquests cristalls. L'àmplia finestra òptica juntament amb l'eficiència de conversió a segon harmònic mostren que aquesta és una bona matriu per hostatjar ions lantànids. Aquestes excel·lents propietats es mantenen fins i tot quan els ions lantànids es troben al cristall. Finalment, la caracterització espectrocòpia del ions actius ha mostrat que es pot obtenir una emissió eficient per part dels dos ions. Er3+b3+ la banda d'emissió ampla i l'elevada vida mitja obtingudes obren la possibilitat d'utilitzar aquests cristalls en aplicacions sintonitzables i de subpicosegons. Totes aquestes observacions ens duen a concloure que amb aquests cristalls es pot obtenir un nou material autodoblador de freqüència.Paraules clau: Òptica No-Lineal, Generació de Segon Harmònic, Autodoblatge de freqüència, Top-Seeded Solution Growth, KTiOPO4, RbTiOPO4, Difacció de raig X, Difracció de neutrons de pols.Growth and characterisation of RbTiOPO4: (Nb, Ln). A New Self-frequencyDoubling Crystal.Joan Josep Carvajal MartíFísica I Cristal·lografia de MaterialsDepartament de Química Física i InorgànicaUniversitat Rovira i VirgiliAbstract Since Schawlow and tornes reported that it should be possible to extend the maser principle to the optical frequency part of the spectrum and only one and a half years later. Mainman demonstrated the first laser, the importance of lasers to both science and society has increased dramatically. Today lasers are part of everyday life. Actually, the interest in developing compact blue and green laser sources for data storage and display applications has increased due to promising investigations into wide-gap semiconductor diode lasers, harmonic generation by phase matching in non-linear crystals, quasi-phase-matching in bulk, optical fibres and other waveguides, and up conversion lasers in crystals and fibers. Compact all-solid-state laser sources are needed for a variety of applications such as colour projection, high-density optical data storage, laser printing, medicine, Argon-laser replacement, biofluorescence, underwater communications, stereo lithography, photodynamic therapy. A class of these sources is achieved with up-conversion lasers emitting at a shorter wavelength than the pump source. An alternative to up-conversion lasing is frequency conversion by non-linear optical processes such as frequency doubling and sum-frequency mixing. Self-frequency doubling crystals are non-linear optical crystals with suitable sites for laser-active ions, preferably Yb3+, which can combine the 1 um laser emission of the active ions with the second harmonic generation properties of the host to produce green-laser radiation by self-frequency doubling. The aim of this Thesis was to investigate how to obtain crystals of the KTiOPO4 family, which are known for their excellent non-linear optical properties, doped with lanthanide (Ln) ions. This Thesis shows that high-optical quality RbTiOPO4(Nb,Ln) single crystals can be obtained by the top-seeded solution growth technique together with a slow-cooling of the solution, with large volumes useable for later characterisations and technical applications, and with a similar Ln concentration to that of other laser matrices. We introduced a codopant that enhances the concentration of Ln in the crystals at the same time that compensate the electrical charge of the framework. The refinement of the structure demonstrates that Nb and Ln ions only go to the Ti positions. Then, while Nb only substitutes Ti in the Ti(1) crystallographic position due to an electrostatic effect that an steric one, the lanthanide ion substitute Ti in both Ti(1)O6 octahedra with the same probability. Another interesting aspect to notice is the ability of the material to self-compensate the excess of electrical charge introduced by the pentavalent substitution of Nb5+ by the creation of Rubidium vacancies. The evolution of this structure with temperature showed that the transition from the ferroelectric phase to the paraelectric phase depended on the Nb content in the crystals, and that substituting Ti4+ by the (Nb5+-Rb+) pair stabilises the cubic high-temperature phase of these crystals. The optical characterisation of the host showed that the increase of birefringence in the crystals containing Nb causes the limit fundamental wavelength, at which second harmonic generation can be obtained, to shift to lower wavelengths. The large transparency window of the material and the conversion efficiency to second harmonic generation showed that this crystal is a good matrix to host lanthanide ions. These excellent properties are maintained even when the lanthanide ions is hosted in the crystalline matrix. Finally, the spectroscopic characterisation of the active ions showed that efficient emission can be obtained for Er3+ at 1.5 and 1.0 um, respectively. In the case of Yb3+ the broad emission band and the large lifetime obtained open up the possibility to use these crystals in tunable and subpicosecond applications. All these observations seems to converge in the conclusion that with these crystals a new self-frequency doubling material can be obtained.Keywords: Non-linear Optics, Second Harmonic Generation, Self-frequency Doubling, Top-Seeded Solution Growth, KTiOPO4, RbTiOPO4, X-ray Diffraction, Powder Neutron Diffraction.

THESIS SUMMARYTEXT:This thesis is made of two parts. In the first one, the issue of entanglement in many body systems is addressed. The concept of entanglement and some of the recent progress on the study of entropy of entanglement in many body quantum systems are reviewed. Emphasis is placed on the scaling properties of entropy for one-dimensional models at quantum phase transitions. Then, we focus on the area-law scaling of the entanglement entropy. An explicit computation in arbitrary dimensions of the entanglement entropy of the ground state of a discretized scalar free field theory that shows the expected area law result is also presented. For this system, it is shown that area law scaling is a manifestation of a deeper reordering of the vacuum produced by majorization relations.To finish this first part, the issue of how simple can a quantum system be such as to give a highly entangled ground state is addressed. In particular, we propose a Hamiltonian of a XX model with a ground state whose entropy scales linearly with the size of the block. It provides a simple example of a one dimensional system of spin-1/2 particles with nearest neighbour interactions that violates area-law for the entanglement entropy.The second part of this thesis deals with the problem of simulating quantum mechanics for highly entangled systems. Two different approaches to this issue are considered. One consists of using ultra-cold atoms systems as quantum simulators. With this aim, some experimental techniques related to cold atoms that allow to simulate strongly correlated many body quantum systems are reviewed an explicit example of simulation is presented. In particular, we analyze how to achieve a Mott state of Laughlin wave functions in an optical lattice and study the consequences of considering anharmonic corrections to each single site potential expansion that were not taken into account until now.Finally, a different approach to simulate strongly correlated systems is considered: to use small quantum computers to simulate them. An explicit quantum algorithm that creates the Laughlin state for an arbitrary number of particles n in the case of falling fraction equal to one is presented. We further prove the optimality of the circuit using permutation theory arguments and we compute exactly how entanglement develops along the action of each gate. We also discuss its experimental feasibility decomposing the qudits and the gates in terms of qubits and two qubit-gates as well as the generalization to arbitrary falling fraction.KEYWORDS: Entanglement, Many body quantum systems, Quantum Information Condensed Matter, Cold atoms, Spin chains, Quantum simulator, Quantum computation. / "Entrellaçament quàntic en sistemes de molts cossos"TEXT:Aquesta tesi està composada per dues parts. En la primera, adrecem la qüestió de l'entrellaçament quàntic en els sistemes de molts cossos. Així, introduïm primer el concepte d'entrellaçament i revisem els progressos recents sobre aquest camp. A continuació, ens centrem la llei d'àrea per l'entropia d'entrellaçament i presentem un càlcul explícit d'aquesta entropia per a l'estat fonamental d'un camp escalar no interactuant obtenint la llei d'àrea esperada. Finalment, acabem aquesta part presentant un sistema molt senzill 1-dimensional que tot i tenir interaccions locals mostra una llei de volum per l'entropia.En la segona part de la tesi tractem el problema de la simulació de sistemes quàntics altament entrellaçats. Considerem dos possibles vies per tractar aquest problema. Una d'elles consisteix en la utilització d'àtoms ultra-freds com a simuladors quàntics. En particular, analitzem un mètode per obtenir un estat producte de funcions d'ona de Laughlin en un xarxa òptica i estudiem les conseqüències de considerar la correcció anharmònica de l'expansió del potencial a cada pou de la xarxa. Finalment, considerem una altra aproximació a la simulació de sistemes fortament correlacionats: utilitzar petits ordinadors quàntics per a simular-los. Per il.lustrar aquest tipus de simulació, presentem un algoritme quàntic que crea un estat de Laughlin per un nombre arbitrari de partícules i en el cas de fracció d'ocupació 1.

En aquesta tesi, he estudiat i desenvolupat un mètode de deposició química en fase vapor assistit per aerosol (AACVD), per al creixement directe de nanoagulles d'òxid de tungstè funcionalitzades o intrínseques. Els dipòsits s'han realitzat sobre diferents substrats trasndcutors per a la seva aplicació a la detecció de gasos. Aquesta tècnica ofereix la possibilitat de co-dipositar els metalls amb els òxids metàl•lics emprant una sola etapa de deposició. La síntesi del material nanoestructurat, la fabricació del dispositiu, la caracterització dels materials i la detecció de gasos han estat investigades. El mètode AACVD es va emprar per al creixement i la integració directa de la pel•lícula sensible sobre substrats ceràmics (alúmina), MEMS (micro hotplates) i polimèrics flexibles, el que demostra la seva compatibilitat i idoneïtat per al creixement de nanoestructures d'òxid metàl•lics sobre una àmplia gamma de substrats transductors. A més, el mètode AACVD s'ha implementat també en un reactor de paret freda per créixer les nanoestructures de WO3, emprant l'escalfament localitzat que permeten aconseguir les microresistencias calefactores integrades en alguns dels transdcutors emprats. Totes les pel•lícules sintetitzades en aquesta tesi doctoral es componien de nanoagulles de WO3 pur o de WO3 funcionalitzat amb nanopartícules d'or (Au), platí (Pt), òxid de coure (Cu2O) o pal•ladi (Pd). Es van utilitzar diverses tecnologies d'anàlisi per caracteritzar la morfologia, l'estructura i la composició de les pel•lícules produïdes. Els resultats van mostrar que el nostre mètode és eficaç per al creixement de nanoagulles cristal•lines de WO3 decorades amb nanopartícules de metalls / òxids metàl•lics, a temperatures moderades (és a dir, 380 ° C), amb eficàcia en els seus costos i amb temps de fabricació curts, directament sobre l'element transdcutor amb vista a obtenir sensors de gasos. Els estudis de detecció de gasos han mostrat que aquest nanomaterial híbrid té una excel•lent sensibilitat i selectivitat en comparació amb mostres de WO3 pur. A més, els nanocompostos Cu2O / WO3 i Pd / WO3 han demostrat posseir una excel•lent sensibilitat i selectivitat cap als gasos H2S i H2, respectivament. / En esta tesis, he estudiado y desarrollado un método de deposición química en fase vapor asistido por aerosol (AACVD), para el crecimiento directo de nanoagujas de óxido de tungsteno funcionalizadas o intrínsecas. Los depósitos se han realizado sobre distintos sustratos transdcutores para su aplicación a la detección de gases. Esta técnica ofrece la posibilidad de co-depositar los metales con los óxidos metálicos empleando una sola etapa de deposición. La síntesis del material nanoestructurado, la fabricación del dispositivo, la caracterización de los materiales y la detección de gases han sido investigadas. El método AACVD se empleó para el crecimiento y la integración directa de la película de sensible sobre sustratos cerámicos (alúmina), MEMS (micro hotplates) y poliméricos flexibles, lo que demuestra su compatibilidad e idoneidad para el crecimiento de nanoestructuras de óxido metálicos sobre una amplia gama de sustratos transductores. Además, el método AACVD se ha implementado también en un reactor de pared fría para crecer las nanoestructuras de WO3, empleando el calentamiento localizado que permiten conseguir las microresistencias calefactoras integradas en algunos de los transductores empleados. Todas las películas sintetizadas en esta tesis doctoral se componían de nanoagujas de WO3 puro o de WO3 funcionalizado con nanopartículas de oro (Au), platino (Pt), óxido de cobre (Cu2O) o paladio (Pd). Se utilizaron diversas tecnologías de análisis para caracterizar la morfología, la estructura y la composición de las películas producidas. Los resultados mostraron que nuestro método es eficaz para el crecimiento de nanoagujas cristalinas de WO3 decoradas con nanopartículas de metales / óxidos metálicos, a temperaturas moderadas (es decir, 380 ° C), con eficacia en sus costes y con tiempos de fabricación cortos, directamente sobre el elemento trasndcutor con vistas a obtener sensores de gases. Los estudios de detección de gases han mostrado que este nanomaterial híbrido tiene una excelente sensibilidad y selectividad en comparación con muestras de WO3 puro. Además, los nanocompuestos Cu2O / WO3 y Pd / WO3 han demostrado poseer una excelente sensibilidad y selectividad hacia los gases H2S y H2, respectivamente. / In this thesis, I have studied and developed aerosol assisted chemical vapour deposition (AACVD) methods for the direct growth of non-functionalized and functionalized tungsten oxide nanoneedles, onto different transducer substrates, for gas sensing applications. This technique gives the possibility to co-deposit metals with metal oxides nanostructures within a single step deposition. The nanostructured material synthesis, device fabrication, material characterization and gas sensing performance have been investigated. AACVD method was employed for the direct growth and integration of the sensing film onto ceramic (alumina), MEMS (silicon micro hotplates) and flexible polymeric substrates, demonstrating its compatibility and suitability for growing metal oxide nanostructures onto a wide spectrum of sensor substrates. Furthermore, AACVD based on the localized heating of substrates employing their embedded resistive microheaters has been also performed and developed for the growth of WO3 nanostructures, using a cold wall reactor. All the synthesized films used in this doctoral thesis were composed of pure WO3 nanoneedles or WO3 nanoneedles functionalized with either gold (Au), platinum (Pt), cuprous oxide (Cu2O) or palladium (Pd) nanoparticles. Various analytical techniques were used to characterize the morphology, the structure and the composition of the produced films. The results showed that our method is effective for growing single crystalline WO3 nanoneedles decorated with metals/metal oxides nanoparticles at moderate temperatures (i.e., 380 °C), with cost effectiveness and short fabrication times, directly onto transducers in view of obtaining gas sensors. The gas sensing studies performed showed that these hybrid nanomaterials have excellent sensitivity and selectivity compared to pristine WO3 samples. Cu2O/WO3 and Pd/WO3 nanocomposites have shown excellent sensitivity and selectivity toward H2S and H2 gases respectively.

Hem estudiat la dependència amb la temperatura de la luminescència generada per nanopartícules dielèctriques dopades amb ions lantànids que poden ser utilitzades en nanotermometria luminescent. Hem analitzat nous materials amb emissió en el rang del visible de l’espectre electromagnètic, incloent Ho,Yb:KLu(WO4)2 i Ho,Tm,Yb:KLu(WO4)2, així com nanopartícules core-shell de Er,Yb:GdVO4@SiO2. També hem desenvolupat un nou mètode de síntesi solvotermal assistit per microones per nanopartícules de Er,Yb:NaYF4, que opera a temperatures més baixes i temps de reacció més curts que els mètodes convencionals. Hem utilitzat nanotermometria basada en la mesura dels temps de vida mitjana radiativa en nanopartícules up-conversores de Er,Yb:NaY2F5O per la determinació de temperatura en sistemes biològics, així com la determinació de temperatura pel canvi de color de l’emissió de nanopartícules de Tm,Yb:GdVO4@SiO2. Finalment, hem desenvolupat un sistema de nanotermometria luminescent simple i compacte que permetrà atansar la nanotermometria luminescent a l’entorn mèdic i industrial. Hem analitzat també la nanotermometria luminescent en la regió de l’infraroig proper. El Nd:KGd(WO4)2 mostra potencial com nanotermòmetre luminescent en aquesta regió per sistemes biològics, amb una profunditat de penetració d’1 cm en teixits biològics. Els ions Er3+ i Tm3+ mostren bandes d’emissió eficients en aquesta regió que poden utilitzar-se per nanotermometria luminescent en sistemes biològics. Les nanopartícules de Tm,Yb:GdVO4@SiO2, amb emissions localitzades en la primera finestra biològica, presenten una elevada sensitivitat tèrmica i s’han internalitzat en cèl·lules HeLa. Finalment, hem mostrat la multifuncionalitat de les nanopartícules de Ho,Tm:KLu(WO4)2 que actuen com nanotermòmetres, agents fototèrmics i marcadors biològics. També hem determinat l’eficiència de conversió fototèrmica del grafè i derivats, escalfadors eficients pel tractament de diverses malalties inclòs el càncer, i hem desenvolupat un nou mètode per determinar aquesta eficiència de conversió utilitzant una esfera integradora, un mètode que es pot estendre a altres agents fototèrmics. / Hemos estudiado la dependencia con la temperatura de la luminiscencia generada por nanopartículas dieléctricas dopadas con iones lantánido que pueden ser usadas en nanotermometría luminiscente. Hemos analizado nuevos materiales con emisión en el rango del visible del espectro electromagnético, incluyendo Ho,Yb:KLu(WO4)2 y Ho,Tm,Yb:KLu(WO4)2, así como nanopartículas core-shell de Er,Yb:GdVO4@SiO2. También hemos desarrollado un nuevo método de síntesis solvotermal asistido por microondas para nanopartículas de Er,Yb:NaYF4, que opera a temperaturas más bajas y tiempos de reacción más cortos que los métodos convencionales. Hemos utilizado nanotermometría basada en la medida de tiempos de vida media radiativa en nanoparticulas up-conversoras de Er,Yb:NaY2F5O para la determinación de temperatura en sistemas biológicos, así como la determinación de temperatura por el cambio de color de la emisión de nanopartículas de Tm,Yb:GdVO4@SiO2. Finalmente, hemos desarrollado un sistema de nanotermometría luminiscente simple y compacto que va a permitir acercar la nanotermometría luminiscente al entorno médico e industrial. Hemos analizado también la nanotermometría luminiscente en la región del infrarojo cercano. El Nd:KGd(WO4)2 muestra potencial como nanotermómetro luminiscentes en esta región para sistemas biológicos, con una profundidad de penetración de 1 cm en tejidos biológicos. Los iones Er3+ y Tm3+ muestran bandas de emisión eficientes en esta región que pueden utilizarse para nanotermometría luminiscente en sistemas biológicos. Las nanopartículas de Tm,Yb:GdVO4@SiO2, con emisiones localizadas en la primera ventana biológica, presentan una elevada sensitividad térmica y se han internalizado en células HeLa. Finalmente, hemos mostrado la multifuncionalidad de las nanopartículas de Ho,Tm:KLu(WO4)2 que actúan como nanotermómetros, agentes fototérmicos y marcadores biológicos. También hemos determinado la eficiencia de conversión fototérmica del grafeno y derivados, calentadores eficientes para el tratamiento de diversas enfermedades incluido el cáncer, y hemos desarrollado un nuevo método para determinar esta eficiencia de conversión utilizando una esfera integradora, un método que puede extenderse a otros agentes fototérmicos. / We studied the temperature dependence of the luminescence generated by dielectric nanoparticles doped with lanthanide ions to be used in luminescence nanothermometry. New materials emitting in the visible range of the electromagnetic spectrum, including Ho,Yb:KLu(WO4)2 and Ho,Tm,Yb:KLu(WO4)2 and Er,Yb:GdVO4@SiO2 core-shell nanoparticles have been analyzed for these purposes. Moreover, we developed a new and greener microwave-assisted solvothermal synthesis method for Er,Yb:NaYF4 nanoparticles that operates at lower temperatures and shorter reaction times than conventional methods. We used lifetime-based nanothermometry in upconversion Er,Yb:NaY2F5O nanoparticles for temperature determination in biological systems, and the change of color of the emission generated in Tm,Yb:GdVO4@SiO2 core-shell nanoparticles as a function of temperature. Furthermore, we developed a simple and compact setup that would approach luminescence nanothermometry to the real practical applications in medical and industrial environments. We also explored luminescence nanothermometry in the near infrared region of the electromagnetic spectrum. Nd3+-doped KGd(WO4)2 nanoparticles show potentiality as a luminescent nanothermometer in this region for biological systems, with a penetration depth of 1 cm in biological tissues. Er3+ and Tm3+ ions doped in different matrices have shown also efficient emission bands lying in the short-wavelength infrared region that can be used for luminescence thermometry in biological systems. Also, Tm3+,Yb3+:GdVO4@SiO2 core-shell nanoparticles with emissions located in the first biological window are presented as highly thermal sensitive nanothermometers and have been efficiently internalized in the HeLa cells. Finally, the multifunctionality of Ho3+ and Tm3+ co-doped KLu(WO4)2 nanoparticles has been shown, acting as nanothermometers, photothermal agents and biolabels for bioimaging. Also, we determined the photothermal conversion efficiency of graphene and graphene oxide, efficient heaters for the treatment of several diseases including cancer, and developed a new method for determining their photothermal conversion efficiency by using an integrating sphere, a method that can be extended to other photothermal agents.