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Tesis > TEMA

Física [ 418 tesis ]

Electromagnetismo [ 20 tesis ]

Gamba, Zulema B.. "Estudio de fuerzas electrostáticas en cristales moleculares" (1984) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Cardona, María Angélica. "Medicion de probabilidades de transición electromagnéticas en núcleos de masa intermedia: A (semejante) 80" (1988) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Caputo, María Cristina. "Descripción de propiedades moleculares de origen magnético en presencia de campos magnéticos uniformes y no uniformes" (1996) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
Se analizó el Hamiltoniano de una molécula en un campo electromagnético arbitrario en la medida de Bloc, para definir operadores correspondientes a los momentos multipolares y campo electromagnético creado por los electrones. Se aplicó la teoría de perturbaciones de Hartree-Fock dependiente del tiempo (TDHF) para evaluar los momentos electrónicos inducidos y los campos magnéticos en los núcleos. Se introdujeron tensores de orden arbitrario correspondientes a susceptibilidades magnéticas multipolares y apantallamientos magnéticos nucleares, que describen los acoplamientos que surgen cuando se aplican campos magnéticos no uniformes. A partir de relaciones de conmutación y reglas de suma mecano-cuánticas, se derivaron condiciones generales para la invariancia de propiedades magnéticas ante una transformación de medida. En el caso de un campo magnético uniforme, se dedujeron, reglas de suma para verificar la invariancia respecto del origen en diferentes formalismos para las medidas de Geertsen y Landau. Se realizaron numerosas comprobaciones numéricas para las moléculas de H2O, HF, NH3, CH4 y SF6, en campos magnéticos estáticos, uniformes y no uniformes, en el marco del formalismo RPA (Random Phase Approximation) utilizando, a orden cero, funciones de onda Hartree Fock de alta precisión.

Abstract:
The interaction Hamiltonian of a molecule in the presence of an arbitrary electromagnetic field has been analyzed, within the Bloch gauge, to define operators corresponding to multipole moments and to the electromagnetic field created by the electrons. Hartree Fock time dependent perturbation theory (TDHF) has been applied to evaluate the induced electronic moments and the magnetic fields at the nuclei. Multipole magnetic susceptibility and nuclear magnetic shielding tensors of arbitrary order have been introduced to describe the couplings arising in non-uniform magnetic fields. General constraints for invariance of magnetic properties in a gauge transformation have been derived from quantum mechanical commutation relations and sum rules. In the case of a uniform external magnetic field, sum rules have been proposed to test the origin independence for the Geertsen and Landau gauges in different formalisms. Extended numerical test on the molecules of H2O, HF, NH3, CH4 and SF6, in a static, uniform and non uniform, magnetic field have been carried out, using the random-phase approximation (RPA) within the framework of accurate Hartree-Fock zero-order wavefunction.

Inchaussandague, Marina Elizabeth. "Difracción de ondas electromagnéticas en medios anisótropos corrugados periódicamente" (1996) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
En esta tesis se desarrollan nuevos métodos teóricos rigurosos que permiten resolver el problema de la difracción de luz en una superficie corrugada periódicamente que separa un medio isótropo (dielétrico, metal o conductor perfecto) de un medio anisótropo (cristal uniaxial o biaxial). Los métodos desarrollados se basan en el empleo de transformaciones de coordenadas que convierten la superficie periódica en un plano, simplificando de este mod0 el manejo matemático de las condiciones de contorno en la interfase. Escribiendo las ecuaciones de Maxwell en el espacio transformado, el problema original se reduce a la resolución numérica de sistemas de ecuaciones diferenciales acopladas cuyas características varían de acuerdo con el tipo de transformación utilizada. Se emplean dos tipos de transformaciones: contravariantes y covariantes. El método de transformaciones covariantes permite tratar superficies periódicas iluminadas por una onda plana que incide desde cualquiera de los medios y con vector de onda orientado arbitrariamente con respecto a los surcos de la red. Se estudia la consistencia de los formalismos investigados mediante el análisis de casos límites como el de interfases planas y redes isótropas y se comparan los resultados con los obtenidos utilizando métodos aproximados que emplean en su formulación la hipótesis de Rayleigh. Como ejemplos de aplicación de los métodos presentados en este trabajo, se analiza la conversión entre modos de polarización y la excitación resonante de plasmones superficiales.

Abstract:
We present new rigorous theoretical formalisms to solve the problem of diffraction of light at a periodically corrugated boundary between an isotropic medium (dielectric, metal or perfect conductor) and a crystal (uniaxial or biaxial). The formalisms are based upon the use of coordinate transformations that map the periodic interface onto a plane, thus simplifying the treatment of the boundary conditions. Starting from Maxwell's equations in the transformed frame, the original problem is reduced to the numerical solution of systems of coupled diferential equations. Two kinds of transformations are used: contravariant and covariant. The method of covariant transformations applies to gratings illuminated either from the isotropic or from the crystal side by waves with wave vectors inclined at an arbitrary angle with respect to the grooves. The theory is validated in the limiting cases of an almost flat interface and isotropic gratings. Moreover, the results agree with those obtained with a simplified formalism invoking the Rayleigh hypothesis. As examples of application, we study conversion between polarization states upon reflection and resonant excitation of surface plasmons.

Gigli, Miriam Laura. "Propagación y excitación de modos electromagnéticos superficiales en medios anisótropos" (1996) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
En este trabajo se estudia en forma teórica la propagación y excitación de modos electromagnéticos superficiales (MES) en varias estructuras que involucran medios anisótropos. En primer lugar se trata el caso de una superficie plana em única que separa un cristal de un metal y también se analiza el caso de una lámina metálica que separa un cristal de un medio isótropo, cuando se incide desde el cristal. En una segunda etapa se estudia el caso de una interface periódicamente corrugada entre un medio anisótropo y un metal. A fin de poder realizar el análisis de este último caso, se desarrollan nuevos métodos que permiten conocer los campos y eficiencias difractadas cuando inciden ondas planas sobre dichas interfaces. Estos nuevos métodos se implementan numéricamente y se aplican al estudio de MES. En las tres situaciones mencionadas se estudia primero el scattering de ondas electromagnéticas en las interfaces y luego se lleva a cabo un estudio sistemático de la propagación de MES. Para esto se hallan los modos normales de las diferentes estructuras (es decir, las soluciones a las ecuaciones de Maxwell en ausencia de campo incidente) y luego se encuentran condiciones bajo las cuales estos modos pueden ser excitados mediante ondas planas incidentes, comprobándose que esto es posible en los tres casos considerados (aun en el caso de una única interface plana cristal-metal). Se muestra también que la excitación de MES está acompañada por una intensa absorción de potencia por el metal; en todos los casos analizados se hallan condiciones críticas sobre los parámetros del sistema para las cuales las ondas incidentes son totalmente absorbidas y se estudia la intensificación del campo electromagnético sobre la interface asociada a la excitación de MES.

Abstract:
In this work it is theoretically studied the propagation and excitation of electromagnetic surface modes (ESM) are theoretically studied in several structures that involve anisotropic media. First we treat the case of a {em single} flat interface that separates a metal from a crystal and we also analyse the case of a metalic film that separates a crystal from an isotropic medium, when incidence from the crystal. Second, we study the case of a periodically corrugated interface between an anisotropic medium and a metal. In order to perform the analysis of this later situation, we develope new methods that allows us to know the diffracted fields and efficiencies when incidence of plane waves onto those interfaces. These new methods are numerically implemented and they are applied to the study of ESM. For the three mentioned situations, it is first studied the problem of scattering of electromagnetic waves on the interfaces, and then it is performed a sistematic study of propagation of ESM. To do this we find the normal modes of the different structures (that is, the solutions of Maxwell equations without incident fields) and then we find conditions for which these modes can be excited by incident plane waves; it is verified that these excitations are possible in the three situations considered (even for a single flat crystal-metal interface ). It is also shown that the excitation of ESM is acompanied by a atrong absorption of power by the metal; in all the cases we find critical conditions on the system parameters for which the incident waves are {em totally} absorbed and we study the intensification of the electromagnetic field on the interface associated to the excitation of ESM.

Skigin, Diana Carina. "Teorías modales para el estudio del scattering electromagnético por superficies corrugadas" (1997) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Bender, Laurence E.. "Procesos disipativos rápidos en magnetohidrodinámica" (1997) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
Se investiga en forma analítica y numérica la evolución temporal de láminas de corriente en configuraciones de aniquilación magnética forzadas por un flujo con un punto de estancamiento. Se muestran las importantes consecuencias físicas de la etapa de formación de la lámina de corriente, que se puede originar a partir de una "semilla" inicial de campo magnético o mediante la inyección continua de flujo magnético. La convección y amplificación del campo magnético en un flujo de estancamiento genera una disipación Joule muy intensa dentro de la lámina de corriente en escalas de tiempo hidrodinámicas. Estos efectos pueden dar lugar a la aniquilación rápida del campo magnético, a la formación de estructuras disipativas estacionarias o a soluciones que crecen indefinidamente con el tiempo, dependiendo del balance entre la disipación y el ingreso de flujo magnético. Los elementos básicos del proceso de amplificación de la energía magnética se examinan usando argumentos físicos sencillos basados en consideraciones de orden de magnitud. Se obtienen soluciones analíticas dependientes del tiempo que describen la evolución del campo magnético en flujos con geometría plana. Suponiendo condiciones iniciales y de contorno generales para la componente de campo magnético contenida en el plano del movimiento, se demuestra que la capa en donde el campo magnético cambia de signo tiende a desaparecer durante la formación de la lámina de corriente. Por otra parte, la componente de campo magnético normal al flujo de estancamiento siempre se extingue rápidamente. En consecuencia, las configuraciones estacionarias de campo magnético con cambio de signo que se consideran habitualmente en los estudios de procesos de reconexión magnética e inestabilidades resistivas, resultan ser casos excepcionales en lugar de estructuras magnéticas genéricas. Se obtienen soluciones autosimilares que describen la amplificación y el decaimiento del campo magnético en flujos planos y axialmente simétricos. En flujos con un punto de estancamiento tridimensional las láminas de corriente se aniquilan completamente a menos que sean sostenidas por una inyección continua de energía magnética. Se consideran aplicaciones de estos modelos a la magnetósfera terrestre, a la formación de estructuras disipativas en el Plasma Focus y al calentamiento de la corona solar. Se estudia la influencia del flujo de estancamiento, que tiende a oponerse a la permanencia de configuraciones con campo magnético reconectado, sobre la estabilidad de la lámina de corriente. Simulaciones numéricas de reconexión magnética en dos dimensiones muestran la formación y consolidación de la lámina de corriente. El incremento de la conductividad provocado por el aumento de la temperatura en la lámina de corriente puede acelerar los procesos de amplificación y decaimiento del campo magnético. Estos efectos térmicos se ilustran mediante soluciones numéricas. Los límites del modelo incompresible debidos al calentamiento y a las variaciones de densidad se discuten brevemente. En el último capítulo se estudia en forma numérica la evolución de láminas de corriente en flujos compresibles.

Abstract:
The time evolution of current sheets under the influence of driven stagnation point flows is studied. It is shown that significant physical processes occur during the formation of the current sheet, originated from a sparse magnetic seed field or from an external continuous injection of magnetic flux. The advection and amplification of the magnetic field at a stagnation flow can give rise to large amounts of Joule dissipation over hydrodynamic time scales. These effects may lead to an accelerated annihilation of the magnetic field, or to steady state dissipative layers, depending on the balance between the incoming magnetic flux and the dissipation rate. The basic elements of the flow enhanced dissipation mechanism are discussed using order of magnitude considerations. Analytic time dependent solutions that describe the evolution of the magnetic field are obtained for planar flows. Starting from generic initial and boundary conditions for the magnetic field component lying on the plane of the flow, it is shown that the sublayer in which a change of sign of the magnetic field occurs tends to vanish in a short time during the formation of the current sheet. On the other hand, the magnetic field component normal to the flow plane is always rapidly extinguished. Thus, configurations commonly considered as models for steady state reconnection or tearing instability studies, are exceptional cases rather than generic magnetic structures. Self similar solutions that describe the amplification and decay of the magnetic field for planar and axial-symmetric flows are also obtained. In three dimensional stagnation point flows, current sheets that are not sustained by a continuous injection of magnetic energy are completely annihilated in a few hydrodynamic times. Several applications, including coronal heating, the dayside magnetospheric stagnation point, and the formation of hot spots in the Plasma Focus experiments, are discussed. The influence of stagnation flows on the stability of these dissipative structures is studied. These flows tend to oppose the permanence of a reconnected configuration. Numerical simulations of two-dimensional magnetic reconnection show the build up and consolidation of the current sheet. Thermal effects due to the rise of temperature in the current sheath and the resulting conductivity increment, enhance the amplification and extinction processes. These effects are illustrated with numerical solution examples. The heating and compressibility limits of the model are briefly outlined. Finally, the effect of density variations during the evolution of current sheets in compressible stagnation point flows is also studied numerically.

Ferrari, Hernán Javier. "Dinámica de flujo magnético a tiempos cortos en superconductores de alta temperatura crítica" (2000) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Valenzuela, Sergio O.. "Dinámica oscilatoria de la red de vórtices en superconductores de alta temperatura crítica" (2001) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
Los vórtices en los superconductores de alta temperatura crítica constituyen un sistema modelo para el estudio de transiciones de fase dinámicas y termodinámicas. La combinación de las interacciones vórtice-vórtice y el anclaje por defectos en la matriz superconductora determina la respuesta electromagnética de los superconductores tipo-II y, a su vez, provee un sistema ideal para estudiar el efecto del desorden en un medio elástico. Mientras que las interacciones entre vórtices tienden a ordenar la estructura de vórtices y los defectos a desordenarla, su efecto combinado da lugar a una variedad de comportamientos colectivos y dinámicos notablemente rico. En esta Tesis, estudiamos la respuesta dinámica en estos sistemas de vórtices principalmente en respuesta a la aplicación de fuerzas oscilatorias por debajo de la transición de solidificación. La motivación de este trabajo surge por la observación de nuevos fenómenos que incluyen una dependencia en la historia de la muestra y efectos de memoria en la respuesta de los superconductores tipo-II y por la necesidad de lograr un control completo del comportamiento de los vórtices ante fuerzas externas, lo que es requerido para posibles aplicaciones. El objetivo de esta Tesis es presentar una descripción de la respuesta de los vórtices tanto desde un punto de vista experimental como numérico. Midiendo susceptibilidad ac en cristales de YBa2Cu3O7 con maclas, mostramos que el sistema de vórtices puede ser atrapado en estados metaestables con diferente grado de orden que aparecen en respuesta a diferentes historias termomagnéticas del sistema. Demostramos que la presión ejercida por el campo ac oscilante ordena el sistema de vórtices en la zona de penetración, incrementando localmente su movilidad. La estabilidad de los estados ordenados y desordenados junto con el perfil espacial de la movilidad de los vórtices generan la aparición de efectos de memoria. Mostramos también que cuando los vórtices son “agitados” por un campo temporalmente simétrico (ej., sinusoidal) se organizan en una estructura ordenada y fácil de mover pero que, por el contrario, cuando el campo ac es temporalmente asimétrico (ej., diente de sierra), la estructura final es más desordenada y anclada. Esto es característico de un movimiento plástico de la red de vórtices y sugiere que el ordenamiento debido a campos simétricos es esencialmente distinto a un proceso de equilibración o a una cristalización dinámica por la aplicación de corrientes altas. Proponemos un modelo fenomenológico para la respuesta ac basada en observaciones experimentales y obtenemos los perfiles de campo y corriente en forma analítica y numérica para distintas geometrías. La hipótesis principal del modelo es un anclaje efectivo inhomogéneo en la muestra lo cual se infiere de la movilidad variable de los vórtices. Completamos nuestra descripción realizando simulaciones de dinámica molecular sobreamortiguada con el objetivo de hallar una conexión entre la respuesta macroscópica y el comportamiento microscópico o, entre la movilidad y el grado de orden de la red de vórtices. Modelamos el sistema de vórtices como un conjunto de partículas interactuantes en un medio desordenado con una gran densidad de centros de anclaje distribuidos al azar y estudiamos la concentración de defectos y la movilidad de la red de vórtices en repuesta a distintas fuerzas externas. Complementamos estos resultados con estudios de transporte y susceptibilidad ac en muestras que presentan un efecto pico en la densidad de corriente crítica. Mostramos que el desorden generado en la zona del pico puede ser inhibido en forma parcial forzando un movimiento oscilatorio de los vórtices aún cuando la red es blanda y su movimiento plástico. La red de vórtices puede ser ordenada en forma adicional por debajo de un temperatura definida en donde las interacciones entre vórtices parecen vencer a las tensiones generadas por el anclaje y ocurre un cambio a un régimen elástico. La Tesis concluye con dos proyectos relacionados menores que son incluidos como Apéndices. En primer lugar, extendemos el algoritmo con el que obtuvimos los perfiles de campo y corriente en muestras con anclaje inhomogéneo para poder incluir corrientes de transporte. En segundo lugar, describimos una técnica ac que desarrollamos para medir la magnetización remanente en la muestra y presentamos resultados que muestran efectos de historia.

Abstract:
Vortices in high temperature superconductors comprise a model system for the study of thermodynamic and dynamic phase transitions. The interplay of vortex-vortex interactions and pinning by defects in the superconducting matrix both determines the electromagnetic response of type-II superconductors and provides an ideal system to study the effect of quenched disorder on elastic media. While vortex-vortex interactions tend to order the vortex structure and defects tend to disorder it, their combined effect leads to a remarkably rich variety of collective and dynamical behaviour. We study the dynamic response in such vortex systems focusing mainly on oscillatory driving forces below the first order melting transition. We are motivated by the observation of new puzzling phenomena that include history dependence and memory effects in the response of type-II superconductors in the vicinity of order-disorder transitions and by possible applications which require the complete control of the vortex behaviour under external applied currents. The goal of this Thesis is to provide both an experimental and theoretical description of the vortex response. By measuring ac susceptibility in twinned YBa2Cu3O7 single crystals, we show that the vortex system can be trapped in different metastable states with variable degree of order arising in response to different system histories. We demonstrate that the pressure exerted by the oscillating ac field assists the vortex system in ordering, locally increasing the mobility of the vortices in the penetrated outer zone of the sample. The robustness of the ordered and disordered states together with the spatial profile of the vortex mobility lead to the appearance of strong memory effects. We also show that when vortices are “shaken” by a temporarily symmetric ac field they are driven into an easy-to-move, ordered structure but, on the contrary, when the ac field is temporarily asymmetric, they are driven into a more pinned disordered state. This is characteristic of tearing of the vortex lattice and it suggests that ordering due to symmetric ac fields is essentially different from an equilibration process or a dynamical crystallization that is expected to occur at high driving currents. The experiments also provide evidence that vortex movement in an oscillating magnetic field is partially reversible as order can be recovered by a temporal inversion of the asymmetric ac field. We then propose a phenomenological model for the ac response based on experimental observations and obtain the magnetic field and current profiles in the sample both analytically and numerically. The main hypothesis of the model is an inhomogeneous effective pinning in the sample that is inferred from the variable mobility of the vortices. The connection between the macroscopic response of the superconductor and the microscopic behaviour of vortices or, between the mobility and the degree of order of the vortex lattice, is fulfilled by overdamped molecular dynamics simulations. We model the vortex system as a set of interacting particles in a disordered environment with a high density of randomly situated pinning centres and study the concentration of defects and mobility of the vortex lattice as a function of different driving forces. We complement these results with transport and ac susceptibility studies in samples that present a peak effect in the critical current density. We show that disorder generated at the peak effect can be partially inhibited by forcing an oscillatory movement of vortices even while the lattice is soft and its movement is plastic. The flowing phase can be additionally ordered below a well defined temperature where elastic interactions between vortices overcome pinning-generated stress and a plastic to elastic crossover seems to occur. Two related and smaller projects, that are included as Appendices, conclude the Thesis. Firstly, we extend the numeric algorithm that provides the current and field profiles in samples with inhomogeneous pinning to include transport currents. Secondly, we describe an ac technique that we developed to measure the remanent magnetization in the sample and we present some results on history effects.

Kandus, Alejandra. "Origen y evolución de campos magnéticos asociados a las grandes estructuras cosmológicas" (2001) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
En esta tésis presentamos un nuevo mecanismo de inducción de campo magnético primordial, con el objetivo de poder explicar la presencia y características de los campos magnéticos que se observan en galaxias y cúmulos de galaxias. Asumiendo que durante la etapa inflacionaria del universo existe un campo de materia cargado, el estado cuántico del campo cambia al producirse la transición de esa etapa a la siguiente, debido al cambio en la geometría del universo, dando lugar a la aparición de corrientes eléctricas estocásticas. Como el valor medio de las corrientes es cero, también lo serán los valores medios de los campos por ellas inducidos. Sin embargo fluctuaciones cuánticas y estadísticas respecto del valor medio de la corriente construyen varianzas no nulas. Esas varianzas son entonces fuente de campo electromagnético, que también se manifiesta a través de desviaciones respecto de la media. Calculamos el núcleo de ruido debido a las partículas creadas y lo usamos como fuente de las ecuaciones de Maxwell para la correspondiente función de dos puntos del campo magnético. Calculamos la intensidad inducida a escala galáctica, teniendo en cuenta de manera fenomenológica la conductividad finita del plasma en el cual se propaga el campo magnético. Para el caso de transición instantánea de inflación a radiación la intensidad resultante es muy pequeña. Para el caso en que la transición no sea instantánea, o sea el recalentamiento del universo tenga una cierta duración, el campo inducido podría tener intensidad suficiente como para explicar el campo galáctico. Además en este caso es posible enmarcar el mecanismo en el modelo supersimétrico de la física de partículas, ya que en él hay un campo de materia con las propiedades que requiere nuestro mecanismo, y además estos modelos predicen una baja tempertura de recalentamiento, lo que implicaría una menor disipación del campo inducido. Para estudiar el efecto de la conductividad de las propias fuentes de campo magnético sobre la intensidad final inducida, planteamos ecuaciones consistentes para la evolución del sistema de cargas y campo electromagnético durante las etapas tempranas del recalentamiento, utilizando técnicas apropiadas para estudiar sistemas de campos cuánticos fuera del equilibrio. Encontramos que las cargas creadas se comportan como un medio superconductor y por lo tanto el campo inducido es apantallado. En virtud de los resultados obtenidos, discutimos la validez del mecanismo estudiado.

Abstract:
In this thesis we present a new mechanism to induce primordial magnetic fields, aimed at explaining the existence and features of those fields in galaxies and clusters of galaxies. Asuming that during inflation there exists a charged matter field, the quantum state of the field changes when the transition from that epoch to the subsequent one occurs, due to the change in the geometry of the universe, giving rise to stochastic electric currents. As the mean value of the currents is zero, the same will happen to the mean values of the induced electromagnetic fields. However quantum and statistical fluctuations around the mean value of the current build non null variances. Those variances induce fields, which also manifest throught their rms deviations around the mean. We evaluated the noise kernel due to the created charges and used it as source in the Maxwell equations for the corresponding electromagnetic two point function. We estimated the induced intensity on a galactic scale, taking into account in a phenomenological way the finit electric conductivity of the primordial plasma through which the field propagates. For the case of instantaneous reheating of the universe the resulting intensity is too weak to account for the observed fields in galaxies. But if the reheating epoch has a certain duration, the induced fields are strong enough to seed further amplifying mechanisms that gave rise to the galactic fields. Besides, in this case we can frame the proposed mechanism in the supersymmetric version of the standard model of particle physics. It provides a candidate matter field with the required properties for our mechanism and also allows a low reheating temperature which in our case implies that the induced field will be less dissipated. To study the effect of the own sources of the magnetic field on its final intensity, we derived consistent equations to study the system of charges and field during the first stages of reheating. This derivation was done using specific techniques to study quantum fields out of equilibrium. We found that the created charges behave as a superconducting medium and hence screen the induced field. In view of all the results obtained, we discuss the usefulness of the proposed mechanism to acount for the observations.

Milano, Julián. "Magnetotransporte en nanoestructuras de metales de transición" (2003) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
El campo de investigación de los sistemas nanoscópicos magnéticos ha despertado interés creciente en las últimas dos décadas. No son ajenas a este fenómeno las aplicaciones tecnológicas de los mismos en distintas áreas. En esta tesis hemos estudiado las propiedades magnéticas y, esencialmente, de magnetotransporte de dos tipos de sistemas bien diferenciados: multicapas de Fe/Cu con Cr y aleaciones granulares de Co en Ag. Aún cuando ambos tipos de sistemas están compuestos por metales nobles y metales de transición magnéticos, en el primer caso los metales están depositados en capas continuas y presentan magnetorresistencia inversa, mientras que en el otro forman aleaciones granulares cuyas características de transporte dependen de la presencia y valor del campo magnético aplicado durante el crecimiento. Para ambos tipos de sistemas hemos obtenido teóricamente la conductividad dentro del marco de la ecuación semiclásica de Boltzmann logrando una modelización adecuada que da cuenta de los resultados experimentales. Hemos puesto de manifiesto la importancia de las bandas electrónicas para explicar las particularidades experimentales de cada uno de los sistemas, tales como la evolución en función del campo magnético de la GMR cn las multicapas de Fe/Cu con Cr y la coalescencia de los gránulos de Co, puesta de manifiesto a través de las propiedades de magnetotransporte, en el segundo sistema. Para las aleaciones granulares de Co en Ag hemos mostrado experimentalmente, haciendo mediciones de magnetización, de resonancia ferromagnética y de transporte eléctrico, que el comportamiento de aleaciones homogéneas es distinto al de las aleaciones granulares crecidas en multicapas.

Abstract:
Research on nanoscopic systems has arisen an increasing interest in the last two decades. The evolution of research in this area is certainly closer related to the potential technological applications. In this thesis we have undertaken the study of magnetic and, specially, of magnetotransport properties of two well differentiated types of systems: Fe/Cu multilayers with Cr and Co granular alloys embedded in Ag. Even if both types of systems are built up with noble metals and magnetic transition metals, in the first case the atoms form continuous layers and show inverse magnetoresistance, while the second kind of systems form granular alloys whose transport characteristics depend on the presence and value of an applied magnetic field at deposition. For both kinds of materials we have calculated the conductivities within the framework of the Boltzmann semiclassical approach, succeeding in formulating a proper system modelisation, which accounts for the observed experimental results. We have shown the importance of the electronic bands in order to be able to explain the particularities of each kind of system, such as the GMR evolution under a growing applied magnetic field for Cu/Fe with Cr and the percolation of Co clusters, which has its manifestation on the magnetotransport properties for the second kind of systems in the second case. We have also experimentally shown, performing magnetisation, ferromagnetic resonance and electric transport measurements, that the behavior of homogeneous granular alloys of Co in Ag can be clearly differentiated from the one of granular alloys grown in multilayers.

Luoni, María Luisa. "Emergencia, evolución y eyección de flujo magnético en la atmósfera solar" (2011) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
A lo largo de esta Tesis se ha estudiado la emergencia y evolución de estructuras magnéticas (tubos de flujo) en la atmósfera solar; estas estructuras son los componentes básicos de las regiones activas. La dinámica coronal de estos tubos de flujo da lugar a fenómenos violentos de liberación de energía, tales como las fulguraciones solares y las eyecciones coronales de masa. Sólo los tubos de flujo que poseen torsión sobreviven al cruce de la zona convectiva y emergen a través de la fotósfera. Esta torsión conserva el signo que tenía el tubo de flujo cuando se generó en la tacoclina. La presencia de torsión en un tubo de flujo resulta en una elongación de las polaridades fotosféricas, a la que se llama lengua magnética. Esta elongación se debe a la contribución de la componente azimutal al campo en la dirección de la visual. La distribución espacial de estas elongaciones está relacionada con el signo de la helicidad magnética de la región activa, mientras que su extensión indica el grado de torsión del tubo. Por lo tanto, la identificación de las lenguas magnéticas constituye una herramienta util para determinar el signo de la helicidad magnética usando unicamente ob servaciones. El signo de la helicidad dado por las lenguas ha sido verificado por comparación con el determinado por otros indicadores en 40 regiones activas. Como contribución al estudio de la dinámica coronal, se ha modelado el campo magnético de una región activa compleja. Se calculó su topología encontrando que la misma está determinada por la presencia de un punto de campo magnético nulo en la corona. Las observaciones de tres fulguraciones homólogas, que ocurrieron en un lapso de 29 horas en esta región, sugieren que las mismas se deben a un proceso de reconexión magnética que ocurre en el entorno de este punto. Este proceso de reconexión es forzado por la emergencia continua de flujo magnético.

Abstract:
n this Thesis we study the emergence and evolution of magnetic structures (flux tubes), that are the basic components of active regions, into the solar atmosphere. The coronal dynamics of these flux tubes lies at the origin of violent energy release phenomena, such as solar flares and coronal mass ejections. Only twisted flux tubes survive the crossing of the convective zone and emerge through the photosphere. The flux tube twist preserves the sign with which it was created in the tachocline. The presence of twist in the tube is seen at the photospheric level as an elongation of the polarities, which we call magnetic tongues. This elongation is due to the contribution of the flux tube azimuthal field component to the line-of-sight magnetic field. The spatial distribution of these elongations is related to the active region magnetic helicity sign, while their extensions indicate the degree of torsion in the tube. Therefore, the identification of magnetic tongues is a useful tool to determine the helicity sign of a magnetic configuration, based only in observations. The helicity sign given by the tongues has been verified by comparing it with that determine by other features in 40 active regions. As a contribution to the understanding of the coronal dynamics, we have modeled the magnetic field of a complex active region. We have calculated its topology finding that it is determined by the presence of the coronal magnetic null point. The observations of three homologous flares, that occurred along 29 hours, suggest that they originated by magnetic field reconnection in the null point neighborhood. This reconnection process is forced by continuous flux emergence. Finally, we have computed the magnetic helicity variation due to an ejective event, and we have compared this value to the helicity content in the associated interplanetary magnetic cloud. We have found that both values were in good agreement, indicating that magnetic helicity is a well preserved quantity even under no ideal conditions. These quantitative comparisons, as the more qualitative ones using tongues, are useful tools to find the solar source of an interplanetary event.

Grünhut Duenyas, Vivian. "Scattering electromagnético en la superficie corrugada de un metamaterial" (2011) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
Para estudiar las características de la radiación dispersada en la superficie rugosa de los nuevos materiales artificiales conocidos como metamateriales, en este trabajo de tesis se generalizan al caso de materiales con valores arbitrarios (positivos o negativos) de permeabilidad magnética y permitividad eléctrica dos métodos originalmente desarrollados para estudiar la radiación dispersada en la superficie de materiales isótropos convencionales (no magnéticos). Los dos métodos generalizados, un método perturbativo en la altura de la rugosidad y otro esencialmente numérico basado solamente en la validez de la hipótesis de Rayleigh, fueron sometidos a diversos controles para estudiar su rango de validez y garantizar su correcto funcionamiento y pueden emplearse para superficies con rugosidades deterministas o con rugosidades caracterizadas aleatoriamente. Para ilustrar su uso en aplicaciones de interés actual, los métodos se emplean en los siguientes casos: a) para estudiar los cambios producidos en la reflectividad de la superficie de un metamaterial con rugosidades localizadas cuando se cambia el signo del índice de refracción relativo entre los medios a ambos lados de la superficie rugosa; b) para investigar la excitación de ondas superficiales en superficies con rugosidades localmente periódicas, y c) para estudiar la intensificación del pico de retroreflexión en superficies con rugosidades caracterizadas aleatoriamente.

Abstract:
In order to study the features of the radiation scattered on a rough surface of the new artificial materials known as metamaterials, in this work we generalize to the case of materials with arbitrary values (positive or negative) of magnetic permeability and electrical permittivity, two methods originally developed to study the radiation scattered on the surface of conventional isotropic materials (non-magnetic). The two generalized methods, a perturbative method at the height of the roughness and another one essentially numerical based solely on the validity of the Rayleigh hypothesis, were subjected to various checks to assess their range of validity and to ensure proper operation and can be used for deterministic or random rough surfaces. To illustrate their use in topical applications, the methods where used in the following cases: a) to study the changes in the reflectivity of the surface of a metamaterial with localized roughness when changing the sign of the refractive index between the media on both sides of the rough surface; b) to investigate the excitation of surface waves in locally periodic rough surfaces, and c) to study the intensification of the retroreflection peak on surfaces characterized with random roughness.

Cuevas, Mauro. "Plasmones y modos electromagnéticos superficiales en metamateriales" (2011) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Calvar, Jorge Andrés. "Espectroscopia de hidrógeno por resonancia magnética en resonadores clínicos y químicos de alto campo. Estudio de caracterización y seguimiento de tumores cerebrales" (2013) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
La espectroscopia por resonancia magnética (ERM) es una técnica que utiliza las propiedades magnéticas de los núcleos y moléculas para estudiar estructuras químicas. Una de sus aplicaciones es brindar información metabolómica de tejidos y soluciones. En particular, la ERM clínica permite analizar el metabolismo de los tejidos “in-vivo”, sin interferir con los procesos bioquímicos de los mismos. En este trabajo de tesis, se analizó la utilidad de la ERM de alto campo en la clasificación y caracterización de tumores gliales cerebrales y el valor de la ERM clínica en el análisis de la evolución de los tumores gliales. Siendo la ERM clínica una técnica de adquisición de espectros muy dependiente de la ubicación, tamaño de la lesión y la homogeneidad de campo, la primera parte del estudio consistió en analizar distintos métodos de cuantificación de espectros clínicos en tumores cerebrales, teniendo en cuenta estas variables y el tiempo de adquisición. Este análisis permitió establecer que para el análisis cuantitativo, un método paramétrico con una base de metabolitos individuales es más fiable y estable que uno con una base modelada con Lorentzianas-Gaussianas puras. Además, se estimó el tiempo mínimo necesario de adquisición de un espectro clínico que se quiera cuantificar a partir del espectro sin cancelación del agua. En el caso de una clasificación cualitativa se vio que existe un número fijo de adquisiciones a partir del cual el espectro no cambia significativamente. Siendo hoy la ERM de alto campo con HR-MAS (High Resoution Magic Angle Spinning) una técnica muy utilizada en el estudio metabólico de tejidos, en particular de tumores, se analizó la posibilidad de caracterizar tumores gliales con un equipo de alto campo sin la facilidad de HR-MAS. Aquí, a través de una técnica de preparación sencilla y repetitiva, se consiguió adquirir espectros de muy buena calidad y obtener patrones de espectros que clasifican los tumores, tanto por su anatomía patológica como por su genética, los dos métodos de referencia en la clasificación tumoral actual. En particular con el gen IDH1, un nuevo e importante marcador en tumores gliales asociado con la sobrevida de los pacientes, se identificó una clara relación cualitativa entre metabolitos. Se detectó además la presencia de 2-hidroxiglutarato (2HG) en los espectros, producto de la mutación IDH1. Las conclusiones de este trabajo con ERM de alto campo se utilizaron en un análisis retrospectivo con espectros clínicos de bajo campo. Conocida la limitación de la ERM clínica en la clasificación de tumores cerebrales, se analizó su utilidad en el seguimiento de tumores gliales de distintos niveles de agresividad. Del análisis no fue posible establecer por ERM un patrón de comportamiento definido de los tumores menos agresivos. En particular y de considerable importancia, la ERM no permite identificar claramente cuando un tumor va a malignizar y progresar. Sin embargo, sí permite definir cuando el tumor responde al tratamiento al cambiar el patrón del espectro a menos agresivo o mantenerse estable. Finalmente, se analizaron los cambios necesarios en la planificación y adquisición para hacer reproducibles y comparables los espectros en estudios clínicos longitudinales como los de tumores cerebrales.

Abstract:
Magnetic resonance spectroscopy (MRS) is a technique that uses the magnetic properties of nuclei and molecules to study chemical structures. One of its applications is to provide metabolomic information of tissues and solutions. In particular, the clinical MRS allows analyzing the metabolism of different tissues "in vivo", without interfering with their biochemical processes. In this thesis, the usefulness of high-field MRS in the classification and characterization of glial brain tumors and the clinical value of MRS in analyzing the evolution of glial tumors, are examined. As a clinical MRS acquisition is a technique highly dependent on the location and size of the lesion and on field homogeneity, the first part of the study consisted in the analysis of different methods for quantifying clinical brain tumor spectra, taking in account these variables and the acquisition time. This analysis established that for a quantitative analysis, a parametric method with a database of individual metabolites is more reliable and stable than modeling with plain Lorentzian-Gaussian functions. It also established the minimum time necessary to acquire a clinical spectrum, given a quantification method, from the spectrum without water cancellation. In the case of a qualitative classification, it could be established that a fixed number of acquisitions exists, after which the spectrum does not change significantly. Nowadays being high-field MRS with HR-MAS (High Resolution Magic Angle Spinning) a technique widely used in metabolic studies of tissues, including tumors, we examined the possibility of characterizing glial tumors with a high-field spectrometer without the HR-MAS facility. Thus, by using a simple and repetitive preparation technique, it was possible to obtain good quality spectra and find spectral patterns that classify tumors according its pathological anatomy and its genetics, the two reference methods currently used for ranking tumors. In particular with the IDH1 gene, an important new marker in glial tumors associated with patient survival, a clear qualitative relationship was identified among metabolites. Also, the presence of 2-hydroxyglutarate (2HG), a product of IDH1 mutation, was detected in the spectra. We also used the findings of this high-field study in a retrospective analysis of clinical low-field spectra. Knowing the limitation of MRS in the clinical classification of brain tumors, their usefulness in monitoring progression in glial tumors of different levels of aggressiveness was then analyzed. This showed that a defined behavior pattern could not be established by MRS in the less aggressive tumors. In particular and quite importantly, MRS does not clearly identify when a tumor will become malignant and grow. However it does allow defining when the tumor responds to treatment by changing the pattern of the spectrum to a less aggressive one or remaining stable. Finally, an analysis is made of the necessary changes required in the planning and acquisition of spectra in clinical MRS, to make them reproducible and comparable in longitudinal clinical studies as those used for brain tumors.

Martín, Luis N.. "Turbulencia Hall-MHD en un campo magnético fuerte" (2013) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
En términos generales existen dos perspectivas para modelar la dinámica de los plasmas. Por un lado están los modelos cinéticos y por el otro los modelos de medios continuos (o modelos de fluidos). La teoría cinética describe a los plasmas desde la naturaleza microscópica del sistema. Las teorias de fluídos por otro lado describen de manera natural los fenómenos a escalas macroscópicas. La mayor complicación del estudio de la turbulencia magnetohidrodinámica (y también la hidrodinámica) es que es un problema de multiescalas. Los rangos de escala que están en los extremos (macro y micro) son claros dominios de una y otra teoría, sin embargo las escalas que se encuentran entre las escalas MHD y la escala de Kolmogorov (o de disipación) son un rango controversial al respecto. En esta tesis se introducen efectos cinéticos en la magnetohidrodinámica de medios continuos, a traves de modelos de dos fluidos que consideran la separación entre iones y electrones, En particular, se desarrolla un modelo aproximado de dos fluidos para plasmas con campo magnético fuerte que presenta importantes ventajas computacionales. El interes en el efecto del término Hall con campo magnético fuerte está motivado por las observaciones geofísicas, astrofísicas y la implementación tecnológica de confinamiento por medio de guías magnéticas. El primer paso consistió en testear el modelo aproximado frente al modelo Hall-MHD general. Luego desarrollamos un estudio detallado que incluyó múltiples puntos de vista. Mostramos que el efecto Hall afecta los valores de las las magnitudes globales y sus tiempos característicos. La distribución de energía por escalas se ve también modificada, incrementándose el rango de escalas disipativas. Se modifican las estructuras del flujo cambiando su forma y tamaño en las escalas comprendidas entre el ion skin depth (o escala de Hall) y la escala de Kolmogorov. Se reduce la intermitencia espacial y la autosimilaridad del flujo se incrementa tendiendo a lamonofractalidad. Se analiza el efecto sobre la formación y estructura de las hojas de corriente. Se analizan las propiedades estadísticas del flujo, en particular la fractalidad y el efecto sobre la dimensionalidad de las estructuras responsables de la disipación. Finalmente, extendemos los primeros efectos cinéticos mas allá del efecto Hall introduciendo la inercia electrónica y presentamos resultados preliminares que muestran que la masa electrónica afecta la dinámica mas allá de los efectos del término Hall.

Abstract:
There are broadly two approaches for modeling the dynamics of plasma. On one side are the kinetic theory models and on the other continuum models (or fluid models). The kinetic theory describes the plasmas from a microscopic point of view. On the other hand, the fluid models describe phenomena at macroscopic scales. The major complication in the study of magnetohydrodynamic turbulence (and hydrodynamic) is that it is a multi-scale problem. The scale ranges that are at the extremes (macro and micro) are clearly domains of one theory or the other, however, scales between MHD scale and Kolmogorov (or dissipation) scales are controversial. In this thesis we introduce the first kinetic effects into the continuous media magnetohydrodynamic description, considering a two-fluid model, which thakes into accounr the separation between ions and electrons. In particular, we develop an approximate model of two fluids for plasmas with a strong magnetic fields, where variations along the direction of the magnetic field are smoother than transverse variations. This approximate model shows imortant computational advantages against the fully general tridimensional Hall MHD model. The interest in the effect of the Hall term in a strong magnetic field is in turn motivated by geophysical and astrophysical observations, and technological implementation of confinement through magnetic guides. The first step was to test the approximante model with the full general Hall-MHD model. We then developed a detailed study which included multiple points of view. We showed that the Hall effect affects the values global quantities and their characteristic times. It also modifies the distribution of energy among scales, increasing the range of dissipative scales. It affects flow structures changing its shape and size between the ion skin depth (Hall scale) and Kolmogorov scale. The intermittency is reduced and self-similarity of the flow increases approaching monofractality. We analyzed the effects on the formation and structure of current sheets (important for the energy dissipation). We studied the statistical properties of the flow, particularly the fractality and the effect on the dimensionality of the structures responsible for the dissipation. Finally, we extend the first kinetic effects beyond the Hall effect, considering electron inertia and introduce preliminary results showing that the electronic mass affects the dynamics beyond the effects of the Hall term.

Franco, Mariano Andrés. "Métodos de dispersión electromagnética aplicados a sistemas SAR" (2014) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
En esta tesis trabajamos con distintos métodos para calcular la sección eficaz observada por sistemas de radar activos, debido su interacción con superficies y medios aleatorios. En primer lugar describimos el método de la ecuación integral usado para calcular el campo dispersado por una superficie rugosa. Mostramos cuales son los resultados usuales del modelo y luego los que no se condicen con las observaciones. Proponemos entonces no usar las simplificaciones habituales para obtener valores no nulos en los coeficientes de retrodispersión de los canales de polarización cruzada. Concretamente, retener términos no lineales en la distribución de alturas de la superficie y calcular, numéricamente, la nueva sección eficaz del modelo. Luego, extendemos la formulación integral a un modelo de medios estratificados en el cual, debajo de la superficie iluminada por el radar, se encuentra una segunda interface (plana). Con este modelo damos una primer contribución a la dispersión de la onda debido a su interacción con el volumen que se haya debajo de la superficie observada por el radar. En particular, desarrollamos este modelo para estudiar el comportamiento de la emisivad respecto a la distancia media entre las capas, y como segundo objetivo, analizar la respuesta polarimétrica del sistema. Finalmente, basados en una teoría estadística de campos, formulamos el marco teórico para calcular la respuesta al radar de un medio inhomogéneo. Consideramos que debajo de la superficie se encuentra un medio caracterizado por una permitividad dieléctrica estocástica y haciendo uso de métodos funcionales resolvemos las ecuaciones para el campo medio observado por los sistemas de teledetección.

Abstract:
In this thesis we work with different methods to calculate the observed radar cross section by active radar systems due to their interaction with rough surfaces and random media. First, we describe the Integral Equation Method used to compute the scattered field of a random surface. We show that the results are not consistent with the observations and suggest not to use the usual simplifications to obtain nonzero values of the backscattering coeficients for the cross polarized channels. We propose retain the nonlinear terms in the height distribution of the rough surface and calculate, numerically, the new radar cross section. Then, we extend the integral formulation to a model of stratified media which, below the surface illuminated by the radar, there is a second at interface. With this model we give a first contribution to the wave dispersion due to its interaction with the volume to be below the surface. In particular, we develop this model to study the emissivity behavior as a function of the average distance between the layers, and as a second subject, analyzing the polarimetric response of the system. Finally, based on a statistical field theory, we give the theoretical framework in order to compute the radar cross section response in inhomogeneous medium. We consider that below surface there is a random media characterized by a stochastic dielectric permittivity and we use functional methods to solve the equations of the mean field observed by remote sensing systems.

Luna, Ana Eugenia. "Producción de color en materiales microestructurados naturales y artificiales" (2014-08-06) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
Las estructuras fotónicas naturales exhiben notables efectos de color como el aspecto metálico y la iridiscencia. En este trabajo se investigan algunas de las microestructuras de este tipo que se han identificado en coleópteros, específicamente en los escarabajos de la especie Ceroglossus suturalis, que exhiben una coloración iridiscente y son endémicos del extremo sur de América del Sur y del sur de Chile. Este fenómeno de iridiscencia se produce por reflexiones múltiples de la luz dentro de la epicutícula del élitro (ala delantera modificada por endurecimiento que encierra a las alas posteriores utilizadas en el vuelo), que es un sistema de multicapas alternadas de materiales de diferente densidad óptica. Por medio del empleo de técnicas de microscopía electrónica de barrido (SEM) y de transmisión (TEM), y a través del procesamiento de las imágenes y micrografías, se obtuvieron los parámetros geométricos más relevantes de las microestructuras responsables del color estructural en estos escarabajos, tales como el número de capas y sus espesores. Utilizando un espectrofotómetro acoplado a fibra óptica se midieron los espectros de reflectancia y se obtuvieron los diagramas de cromaticidad para diferentes muestras, y bajo distintas condiciones de iluminación. Una vez confirmado el mecanismo físico involucrado en la producción de color en los especímenes estudiados, se aplicaron diferentes algoritmos de optimización para recuperar tanto la parte real como la imaginaria de la constante dieléctrica y los espesores de las capas de los materiales que componen el sistema natural de multicapas. Los resultados obtenidos mediante la aplicación de diferentes estrategias de optimización heurística confirman que este tipo de algoritmos tiene un gran potencial como herramienta para investigar las estructuras fotónicas naturales. El estudio de la generación de color estructural en el mundo natural ya ha comenzado a inspirar el desarrollo de dispositivos artificiales con aplicaciones tecnológicas, tales como sensores inteligentes y nuevos tipos de filtros.

Abstract:
Natural photonic structures exhibit remarkable color effects such as metallic appearance and iridescence. In this work, we investigate some of the microstructures of this kind that have been identified in Coleoptera, specifically in the beetles of the species Ceroglossus suturalis, which exhibit an iridescent coloration and mostly live endemically in the southern end of South America and the south of Chile. This phenomenon of iridescence is produced by multiple reflections of light within the epicuticle of their elytra (modified forewing of a beetle that encases the thin hind wings used in flight), which is a multilayer system that alternates materials of different optical density. By means of scanning (SEM) and transmission (TEM) electron microscopy techniques, and after processing the images and micrographs, the significant geometrical parameters of the microestructure responsible for the structural color in these beetles, such as the number of layers and their thicknesses, have been obtained. By using an optical fiber coupled spectrophotometer, reflectance spectra have been measured, and the chromaticity diagrams have been obtained for several samples under different illumination conditions. Once the physical mechanism underlying the color production in the studied specimens was confirmed, different optimization algorithms have been applied to retrieve the real and imaginary parts of the relative permittivity of the materials comprising the natural multilayer system, as well as the layers thicknesses. The results obtained by applying different heuristic optimization strategies confirm that this kind of algorithms have a great potential as a tool to investigate natural photonic structures. The study of structural color generation in the natural world has already started to inspire the development of artificial devices for technological applications, such as smart sensors and new kinds of filters.

Schulman, Alejandro Raúl. "Memorias resistivas en interfases óxido-metal" (2015-03-25) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
Las memorias resistivas están entre los principales candidatos a ser utilizados como elementos en una nueva generación de memorias no volátiles. Esto se debe a su bajo consumo energético, una alta velocidad de lectura/escritura y a la posibilidad de lograr memorias de alta densidad compatibles con los procesos de la tecnología CMOS actual (por sus siglas en inglés: Complementary Metal–Oxide–Semiconductor). El funcionamiento de estas memorias se basa en la conmutación resistiva (CR), que consiste en el cambio controlado de la resistencia de una interfase metalóxido a través de estímulos eléctricos. Si bien hasta el presente no se ha podido determinar con certeza el mecanismo físico que controla la CR, se piensa que está basado en el movimiento de vacancias de oxígeno que formarían de manera reversible zonas de alta/baja conducción dentro del óxido. La presente tesis tiene como objetivo principal entender los mecanismos físicos que gobiernan a la CR y poner en evidencia algunos de los aspectos esenciales que pueden contribuir a lograr dispositivos útiles desde el punto de vista tecnológico. Para ello se han realizado estudios de las características principales de la CR para distintas interfases metal-óxido a distintas condiciones de temperatura. Se han utilizado Au, Pt y Ag como metales y los siguientes óxidos complejos YBa2Cu3O7–δ (YBCO), La0.67Sr0.33MnO3 (LSMO) y La0.7Sr0.3CoO3 (LSCO). Se han elegido estos óxidos complejos debido a que presentan características similares, como ser materiales fuertemente correlacionados con una estructura cristalina tipo perovskita y una alta movilidad de oxígenos, lo que afecta muchas de sus propiedades físicas, ya que dependen fuertemente de la estequiometría. Nuestros resultados han demostrado la existencia de una CR bipolar en todos estos sistemas. Ésta es explicada satisfactoriamente a través de un modelo de difusión de vacancias de oxígeno asistidas por campo eléctrico. Se han caracterizado las interfases como dispositivos de memoria, estudiando sus mecanismos de conducción, encontrándose una conducción dominada por un mecanismo del tipo Poole-Frenkel para la muestra de YBCO y una conducción del tipo SCLC para el LSCO y el LSMO. Adicionalmente, se ha conseguido una alta durabilidad y repetitividad en el funcionamiento de estas junturas como dispositivos de memoria, gracias a la optimización en el protocolo utilizado para escribir/borrar, lográndose más de 103 conmutaciones consecutivas sin fallas en dispositivos bulk. También se ha estudiado el efecto de la acumulación de pulsos idénticos en las interfases obteniéndose una relación entre la amplitud de la CR y el número de pulsos aplicado a amplitud y temperatura fijas. Luego de someter la interfase a ciclos de fatiga eléctrica, se ha encontrado una similitud entre la evolución de la resistencia remanente en esta con la propagación de defectos en un metal sometido a pruebas de fatiga mecánica. Esta relación puede ser usada como base para generar un algoritmo de corrección de errores y para mejorar la efectividad y el consumo de energía de estos dispositivos de memoria. Finalmente, se han realizado estudios sobre la evolución temporal de cada estado de resistencia. Hemos demostrado que sigue una ley exponencial estirada con un exponente cercano a 0.5 y un tiempo característico dado, que depende tanto de la temperatura como de la potencia utilizada. Estos resultados implican que la evolución temporal no está dominada por un proceso estándar de difusión térmicamente activado. La difusión de vacancias de oxígeno ocurre en una superficie con una densidad de trampas que depende de la temperatura, donde dicha superficie correspondería físicamente a los bordes de grano del óxido.

Abstract:
Resistive Random Access Memories (RRAM) have attracted significant attention recently, as they are considered as one of the most promising candidates for the next generation of non-volatile memory devices. This is due to its low power consumption, fast switching speed and the ability to become a high density memory compatible with the conventional Complementary Metal–Oxide–Semiconductor (CMOS) processes. The working principle of this kind of memories is the resistive switching (RS) phenomenon which is simply the controlled reversible change in the resistivity of a junction generated by an external electric field. It has been proposed that the RS is coupled with the migration of oxygen vacancies generating a reversible conduction path inside the oxide. Many experiments have been done to address the switching mechanism during the last decade without any conclusive answer of what is the physical mechanism beneath RS. The main goal of the present work is to understand the physical mechanism that controls the RS and to point out which are the key parameters that can help improve the performance of the memory devices from a technological point of view. In this dissertation we report on the studies of RS in different interfaces metal/oxide where we have utilized gold, silver and platinum as metal and as complex oxides: YBa2Cu3O7–δ (YBCO), La0.67Sr0.33MnO3 (LSMO) and La0.7Sr0.3CoO3 (LSCO). These oxides have been chosen because all of them are strongly correlated compounds with physical properties strongly dependent of their oxygen stoichiometry. They also have a similar crystalline structure (perovskite type) and a high oxygen mobility. Our results show that bipolar RS on all these systems is satisfactorily explained by a model of electric assisted diffusion of oxygen vacancies. We also characterize the conduction mechanism of the junctions. We show that, while the behavior of the metal/LSCO and metal /LSMO interfaces are consistent with space charge limited conduction (SCLC), conduction in the metal/YBCO interface is consistent with Poole-Frenkel transport. Feasibility of memory devices based on the junctions under study has been tested. In particular, we present an algorithm that, while reaching high repeatability of resistance values in over 103 successful switching events, optimizes power consumption. We have also studied the effects of accumulating cyclic electrical pulses of increasing amplitude on the non-volatile resistance state of the junctions. We have found a relation between the RS amplitude and the number of applied pulses, at a fixed amplitude and temperature. This relation remains very similar to the Basquin equation used to describe the stress-fatigue lifetime curves in mechanical tests. This points out to the similarity between the physics of the RS and the propagation of defects in materials subjected to repeated mechanical stress. This relation can be used as the basis to build an error correction scheme. Finally, we have analyzed the time evolution of the remnant resistive state in the oxide-metal interfaces. The time relaxation can be described by a stretched exponential law that is characterized by a power exponent close to 0.5. We found that the characteristic time increases with increasing temperature and applied power which means that this is not a standard thermally activated process. The results are a clear evidence of the relation between RS and the diffusion of oxygen vacancies on a surface with a temperature-dependent density of trapping centers, which may correspond, physically, to the diffusion along grain boundaries.

Poisson, Mariano. "Emergencia de tubos de flujo en la atmósfera solar: su impacto desde la fotósfera hasta la corona" (2017-03-22) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
La distribución fotosférica del campo magnético provee información sobre el proceso de formación en el interior solar de los tubos de flujo que dan origen a las regiones activas (RAs), así como de los efectos presentes durante su tránsito por la zona convectiva. Estudiamos la emergencia de RAs para determinar como la torsión del campo en los tubos de flujo afecta la evolución de las polaridades magnéticas fotosféricas observadas en magnetogramas longitudinales. Una de las manifestaciones observables de la torsión de los tubos de flujo que emergen atravesando la fotósfera, es la presencia de las llamadas "lenguas magnéticas". Estas son producidas por la proyección en la dirección de la visual de la componente azimutal del campo del tubo de flujo. Caracterizamos la evolución de las lenguas magnéticas en un conjunto de 187 RAs bipolares observadas a lo largo del Ciclo Solar 23 y el comienzo del Ciclo 24. Usando magnetogramas de estas RAs, determinamos y estudiamos la evolución de una serie de parámetros, como el ángulo de tilt, la orientación de la línea de inversión de polaridad (LIP), su flujo magnético, al igual que el tamaño y la forma de las polaridades y sus lenguas. Desarrollamos un procedimiento para identificar la LIP y usamos su inclinación como un indicador del signo de la helicidad magné- tica. Comparamos este método con la estimación de la helicidad obtenida a partir de extrapolaciones libres de fuerzas del campo coronal. También desarrollamos modelos analíticos de tubos de flujo toroidales, con torsión uniforme y no uniforme, para describir la evolución de los parámetros de las RAs afectados por la presencia de lenguas magnéticas intensas. Finalmente, encontramos que las lenguas modifican significativamente la determinación del ángulo de tilt durante la fase de emergencia y probamos diferentes métodos para reducir este efecto. Los resultados de este trabajo contribuyen a la comprensión de cómo la helicidad de los tubos en emergencia determinan la evolución del flujo magnético fotosférico observado y la formación de las RAs; por otra parte, condicionan a los modelos de generación del campo en el interior solar.

Abstract:
The photospheric magnetic-field distribution provides information about the generation in the solar interior of the flux tubes that originate the ARs, and the effects present during their transit through the convective zone. We study the emergence of ARs to determine how the twist of the magnetic field in these flux-tubes affect the evolution of the photospheric magnetic polarities observed in longitudinal magnetograms. One of the manifestations of these twisted flux-tubes, observed as they emerge through the photosphere, are the so called "magnetic tongues". They are produced by the line of sight projection of the azimuthal component of the magnetic field in the flux-tubes. We characterize the evolution of the magnetic tongues in a set of 187 bipolar ARs observed during the Solar Cycle 23 and the beginning of Cycle 24. Using magnetograms of these ARs we determine and study the evolution of a series of parameters, such as the tilt angle, the polarity inversion line (PIL) orientation, their magnetic flux, as well the size and the shape of the polarities and their tongues. We develop a procedure to identify the PIL and we use its inclination as a proxy of the magnetic helicity sign. We compare this method with the helicity estimation obtained from coronal force-free field extrapolations. We also develop analitical models of toroidal flux-tubes, with uniform and non-uniform twist, to describe the evolution of the AR parameters affected by the presence of strong magnetic tongues. Finally, we find that the tongues modify significantly the determination of the tilt angle during the emergence phase and we test several methods to reduce this effect. The results of this work contribute to the understanding of how the helicity of the emerging flux-tubes determines the evolution of the photospheric magnetic flux and the formation of ARs; moreover, they provide constraints to models of the generation of the magnetic field in the solar interior.

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