Síntesi de pólvores de superconductors d’alta temperatura : YBa2Cu3O7 i GdBa2Cu3O7 per via de dissolució-polimerització

L’objectiu del projecte és obtenir pólvores dels superconductors d’alta temperatura YBa2Cu3O7 i GdBa2Cu3O7 per la via de dissolució-polimerització. Aquestes pólvores seran obtingudes a partir d’òxids (Itri o Gadolini i Coure) i carbonat de bari amb àcid nítric en una dissolució aquosa de Polietinenglicol (PEG), per tal de convertir aquests òxids en nitrats coordinats amb les cadenes de PEG. Aquest producte intermedi es sotmetrà a una piròlisis per tal d’obtenir òxids i carbonats, però amb una mida més reduïda respecte als productes inicials i un grau de barreja més íntim, permetent que reaccionin entre ells amb més facilitat. Finalment, per tal d’obtenir els superconductors YBa2Cu3O7 i GdBa2Cu3O7 es farà un últim tractament tèrmic a alta temperatura en el qual es produirà la reacció desitjada. Durant tot el procés es duran a terme anàlisis d’aquest per mitjà de tècniques de Termogravimetria (TGA), d’Anàlisi Tèrmica Diferencial (DTA), espectroscòpia Infraroja (IR) i la difracció de raig X (DRX) . També s’analitzaran els diferents productes que es van obtenint (intermedis i finals) amb l’ajuda de l’espectrometria IR i la difracció de pólvores. En base a aquests resultats, es variaran els paràmetres de la reacció (concentracions, temperatures, etc.) i dels tractaments tèrmics (atmosfera, temperatura, temps, etc.) per tal d’optimitzar el producte

Manuel Cardona i Castro

Biografia del físic Manuel Cardona i Castro, autoritat mundial en l’estudi dels semiconductors i dels superconductors i gran promotor de la física a l’Amèrica Llatina.

Individual-based modelling of bacterial cultures to study the lag ohase

Els bacteris són la forma dominant de vida del planeta: poden sobreviure en medis molt adversos, i en alguns casos poden generar substàncies que quan les ingerim ens són tòxiques. La seva presència en els aliments fa que la microbiologia predictiva sigui un camp imprescindible en la microbiologia dels aliments per garantir la seguretat alimentària. Un cultiu bacterià pot passar per quatre fases de creixement: latència, exponencial, estacionària i de mort. En aquest treball s’ha avançat en la comprensió dels fenòmens intrínsecs a la fase de latència, que és de gran interès en l’àmbit de la microbiologia predictiva. Aquest estudi, realitzat al llarg de quatre anys, s’ha abordat des de la metodologia Individual-based Modelling (IbM) amb el simulador INDISIM (INDividual DIScrete SIMulation), que ha estat millorat per poder fer-ho. INDISIM ha permès estudiar dues causes de la fase de latència de forma separada, i abordar l’estudi del comportament del cultiu des d’una perspectiva mesoscòpica. S’ha vist que la fase de latència ha de ser estudiada com un procés dinàmic, i no definida per un paràmetre. L’estudi de l’evolució de variables com la distribució de propietats individuals entre la població (per exemple, la distribució de masses) o la velocitat de creixement, han permès distingir dues etapes en la fase de latència, inicial i de transició, i aprofundir en la comprensió del que passa a nivell cel•lular. S’han observat experimentalment amb citometria de flux diversos resultats previstos per les simulacions. La coincidència entre simulacions i experiments no és trivial ni casual: el sistema estudiat és un sistema complex, i per tant la coincidència del comportament al llarg del temps de diversos paràmetres interrelacionats és un aval a la metodologia emprada en les simulacions. Es pot afirmar, doncs, que s’ha verificat experimentalment la bondat de la metodologia INDISIM.

Deposició de capes superconductores de YBa2Cu3O7 amb textura bidimensional a partir de solucions metal·lorgàniques

L’objectiu d’aquest projecte és l'obtenció de capes primes superconductores de YBa2Cu3O7 mitjançant el procés de descomposició metal·lorgànica, a partir de la combinació de sals precursores amb un contingut en fluor inferior a l’estàndard utilitzat pel grup de superconductivitat de l’ICMAB, així com l’estudi i caracterització d’aquestes capes mitjançant les tècniques utilitzades pel mateix grup. Per tal de poder analitzar els resultats, es realitzarà una comparació entre aquesta capa obtinguda a partir de la nova solució i una altra desenvolupada pel mètode estàndard. Sobre aquestes dues mostres es realitzaran tots els assaigs necessaris per tal d’obtenir les seves propietats físiques i químiques per tal d’analitzar la qualitat de la capa i avaluar la viabilitat de la nova solució.

Estudio de cerámicas nanoestructuradas mediante difracción de rayos X y microscopía electrónica de alta resolución

Este proyecto trata sobre la determinación de las relaciones epitaxiales que se dan entre una capa de NGO (Oxido de Neodimio-Galio) y una capa depositada de CGO (Óxido de Cerio dopado con Gadolinio). Con ello buscamos estudiar indirectamente como podemos producir las dislocaciones antes citadas mediante la tensión superficial que se crea al dar lugar un crecimiento heteroepitaxial auto-ensamblado de nanohilos sobre un substrato. Para utilizar en el futuro esta cerámica nanoestructurada como plantillas de superconductores. Abordaremos este objetivo mediante dos vertientes distintas. Por un lado, mediante el estudio de una muestra mediante difracción de rayos X en dos dimensiones (DRX2). Y paralelamente mediante su visualización usando Microscopía Electrónica de Transmisión (MET).

Mathematical description of bacterial traveling pulses

The Keller-Segel system has been widely proposed as a model for bacterial waves driven by chemotactic processes. Current experiments on E. coli have shown precise structure of traveling pulses. We present here an alternative mathematical description of traveling pulses at a macroscopic scale. This modeling task is complemented with numerical simulations in accordance with the experimental observations. Our model is derived from an accurate kinetic description of the mesoscopic run-and-tumble process performed by bacteria. This model can account for recent experimental observations with E. coli. Qualitative agreements include the asymmetry of the pulse and transition in the collective behaviour (clustered motion versus dispersion). In addition we can capture quantitatively the main characteristics of the pulse such as the speed and the relative size of tails. This work opens several experimental and theoretical perspectives. Coefficients at the macroscopic level are derived from considerations at the cellular scale. For instance the stiffness of the signal integration process turns out to have a strong effect on collective motion. Furthermore the bottom-up scaling allows to perform preliminary mathematical analysis and write efficient numerical schemes. This model is intended as a predictive tool for the investigation of bacterial collective motion.

Dinàmica de sistemes mesoscòpics amb correlacions quàntiques mitjançant la formulació de de Broglie-Bohm

Per a determinar la dinàmica espai-temporal completa d’un sistema quàntic tridimensional de N partícules cal integrar l’equació d’Schrödinger en 3N dimensions. La capacitat dels ordinadors actuals permet fer-ho com a molt en 3 dimensions. Amb l’objectiu de disminuir el temps de càlcul necessari per a integrar l’equació d’Schrödinger multidimensional, es realitzen usualment una sèrie d’aproximacions, com l’aproximació de Born–Oppenheimer o la de camp mig. En general, el preu que es paga en realitzar aquestes aproximacions és la pèrdua de les correlacions quàntiques (o entrellaçament). Per tant, és necessari desenvolupar mètodes numèrics que permetin integrar i estudiar la dinàmica de sistemes mesoscòpics (sistemes d’entre tres i unes deu partícules) i en els que es tinguin en compte, encara que sigui de forma aproximada, les correlacions quàntiques entre partícules. Recentment, en el context de la propagació d’electrons per efecte túnel en materials semiconductors, X. Oriols ha desenvolupat un nou mètode [Phys. Rev. Lett. 98, 066803 (2007)] per al tractament de les correlacions quàntiques en sistemes mesoscòpics. Aquesta nova proposta es fonamenta en la formulació de la mecànica quàntica de de Broglie– Bohm. Així, volem fer notar que l’enfoc del problema que realitza X. Oriols i que pretenem aquí seguir no es realitza a fi de comptar amb una eina interpretativa, sinó per a obtenir una eina de càlcul numèric amb la que integrar de manera més eficient l’equació d’Schrödinger corresponent a sistemes quàntics de poques partícules. En el marc del present projecte de tesi doctoral es pretén estendre els algorismes desenvolupats per X. Oriols a sistemes quàntics constituïts tant per fermions com per bosons, i aplicar aquests algorismes a diferents sistemes quàntics mesoscòpics on les correlacions quàntiques juguen un paper important. De forma específica, els problemes a estudiar són els següents: (i) Fotoionització de l’àtom d’heli i de l’àtom de liti mitjançant un làser intens. (ii) Estudi de la relació entre la formulació de X. Oriols amb la aproximació de Born–Oppenheimer. (iii) Estudi de les correlacions quàntiques en sistemes bi- i tripartits en l’espai de configuració de les partícules mitjançant la formulació de de Broglie–Bohm.

Mètodes de visualització i dinàmica de gasos relacionats amb l'escalat de cintes superconductores en planta prepilot

Ara ja fa un segle del descobriment de la superconductivitat. Aquest fenomen quàntic macroscòpic té aplicacions en el camp de la diagnosi mèdica per MRI (Magnetic Resonance Imaging), que permet obtenir imatges internes detallades del cos humà o en aplicacions científiques com el SQUID (Superconducting Quantum Interference Device), amb el que es poden mesurar camps magnètics molt dèbils, amb límits de detecció fins a 10-15 T. Però les aplicacions dels superconductors no es limiten ni molt menys a aquests camps ja que s‟estan fent grans esforços per poder processar cintes superconductores a gran escala per tal de poder aplicar aquest fenomen a cables de conducció elèctrica, motors, generadors, transformadors, etc. Amb això s‟aconseguiria un increment notable de l‟eficiència energètica amb la consegüent disminució de l‟emissió de gasos d‟efecte hivernacle. En aquest projecte, realitzat al grup de Superconductivitat i Nanoestructuració a Gran Escala de l„ICMAB, s‟han fet diversos muntatges experimentals per tal de poder observar i entendre millor el procés de piròlisi d‟una solució precursora de YBCO en forma de capes primes a sobre de diferents substrats. Aquesta etapa és determinant per obtenir en el procés de creixement una capa texturada i d‟ alta densitat de corrent crítica (Jc). Per això s‟ha fet ús d‟un sistema que permet realitzar la piròlisi de forma relativament ràpida mentre s‟enregistra en vídeo l‟evolució de la capa. En totes les mostres pirolitzades s‟ha estudiat la qualitat, textura i morfologia superficial. També s‟ha intentat veure de forma qualitativa el comportament dinàmic dels gasos a dins d‟una cavitat cilíndrica, que és la geometria utilitzada fins ara per créixer cintes superconductores. Finalment s‟han dissenyat diferents tipus de bufadors per tal d‟introduir els gasos de forma transversal i no longitudinal dins del forn tubular durant el tractament tèrmic, fet que dóna lloc a un increment de la superfície superconductora homogènia. El projecte es distribueix en diferents parts. Inicialment es fa una introducció als superconductors d‟alta temperatura així com els mètodes de fabricació actuals de les cintes superconductores. Seguidament s‟expliquen els objectius que pretenem assolir. En un apartat posterior descrivim les tècniques experimentals utilitzades. Seguidament detallem tots els resultats obtinguts junt amb les seves caracteritzacions. Finalment estudiem el impacte ambiental que ha tingut la realització d‟aquest projecte. Detallem el cost del mateix en un pressupost. En tres annexes ampliem alguns subapartats que per manca d‟espai en el text principal no hem pogut desenvolupar.

Síntesis de nanopartículas de ferritas tipo MFe2O4 (M=Fe, Co, Cu) para su aplicación en superconductores

La tecnología actual ha permitido que en los últimos años la nanociencia y la nanotecnología sean puntos críticos en el desarrollo del conocimiento. En estos momentos se desarrollan sistemas de dimensiones nanométricas que son interesantes debido a sus potenciales aplicaciones en diferentes ámbitos como en química, física, biología, materiales, medicina, cosmética... Dentro de estos sistemas nanoscópicos se encuentran las nanopartículas, estructuras con un tamaño inferior a los 100nm de longitud. En esta clasificación existen a su vez diferentes categorías, como las nanopartículas metálicas, semiconductoras, magnéticas, etc. y es exactamente en esta última tipoogía donde se centra este estudio. Este proyecto de investigación desarrolla la síntesis de magnetita (Fe3O4), ferrita de cobalto (CoFe2O4) y ferrita de cobre (CuFe2O4) con la finalidad de utilizarlas como dopante en superconductores. El método sintético utilizado es del tipo solvotérmico y se lleva a cabo en trietilenglicol, el cual actúa a la vez como disolvente y como estabilizante de las nanopartículas. Las partículas así obtenidas son dispersables en medios polares como el etanol absoluto. Los precursores de este método sintético son los respectivos acetilacetonatos metálicos debido a que el ligando orgánico descompone en productos volátiles. Existen diferentes factores que afectan a la síntesis, tales como la velocidad de ascenso de la temperatura, la agitación, la presencia de agua, la temperatura de descomposición de los precursores, etc. Algunos de estos factores han sido estudiados con detalle y aplicados con tal de optimizar el método experimental. Las nanopartículas sintetizadas han sido analizadas mediante diversas técnicas físicas con tal de establecer diferentes parámetros, tales como su composición fnal, su pureza, su estructura, sus propiedades magnéticas, etc. Estas técnicas son diversas: desde la espectroscopia infrarroja hasta medidas mediante SQUID, pasando por rayos X, microscopía electrónica y termogravimetría. Los resultados han sido favorables en la síntesis de la magnetita y también en la ferrita de cobalto, ya que las nanopartículas obtenidas son homogéneas, fácilmente dispersables en algoholes, estables por largos períodos de teimpo, rápidas de sintetizar, etc. El único problema observado ha sido la síntesis de ferrita de cobre la cual se ha de optimizar, ya que el producto final ha resultado ser una mezcla de tres compuesto diferentes.

Anàlisi tèrmica de l'obtenció d'òxids de ceri a partir de precursors moleculars

El projecte consisteix en l’anàlisi tèrmica de l’obtenció d’òxids de ceri a partirde precursors moleculars com són el propionat de ceri (III), el propionat de ceri (III)dopat amb gadolini i el propionat de ceri (III) dopat amb zirconi. Els òxids resultantssón materials superconductors que ofereixen una resistència nul•la al pas del correnten determinades condicions. Per realitzar l’estudi hem fet servir quatre tècniques diferents: termogravimetria, calorimetria diferencial, espectrometria de masses i difracció de raigs-x

Anàlisi tèrmica de l’obtenció d’òxids de bari a partir de precursors moleculars

Aquest projecte, que col•labora amb el Grup de Recerca en Materials i termodinàmica,tractarà de com obtenir òxids de bari purs per incloure en la matriu del superconductorYBCO a partir de diversos precursors moleculars tals com l’acetat de bari, el propionatde bari i l’etil hexaonat de bari. La dificultat rau en la descomposició tèrmica d’aquestsprecursors a òxid, ja que solen descompondre’s a carbonat. L’estudi consistirà encercar les condicions que evitin la formació de carbonat i per tant afavoreixin l’obtencióde l’òxid.L’estudi es realitza fent ús de les tècniques d’anàlisi tèrmica tals com latermogravimetria i l’anàlisi tèrmica diferencial. A posteriori, també hem utilitzat ladifracció de Raigs-X que ens permetrà analitzar el residu sòlid resultat de ladescomposició i per tant saber quin compost tenim, si òxid o carbonat. Tot i això, caltenir en compte que aquesta tècnica s’ha d’aplicar en finalitzar l’anàlisi tèrmica ja quesinó l’òxid que es forma reacciona amb el CO2 de l’atmosfera amb molta facilitat ialeshores s’observa només carbonat en el resultat

Semiclassical theory of shot noise in ballistic n+in+ semiconductor structures: relevance of Pauli and long range Coulomb interactions

We work out a semiclassical theory of shot noise in ballistic n+-i-n+ semiconductor structures aiming at studying two fundamental physical correlations coming from Pauli exclusion principle and long-range Coulomb interaction. The theory provides a unifying scheme which, in addition to the current-voltage characteristics, describes the suppression of shot noise due to Pauli and Coulomb correlations in the whole range of system parameters and applied bias. The whole scenario is summarized by a phase diagram in the plane of two dimensionless variables related to the sample length and contact chemical potential. Here different regions of physical interest can be identified where only Coulomb or only Pauli correlations are active, or where both are present with different relevance. The predictions of the theory are proven to be fully corroborated by Monte Carlo simulations.

Shot noise anomalies in elastic nondegenerate diffusive conductors

We present a theoretical investigation of shot-noise properties in nondegenerate elastic diffusive conductors. Both Monte Carlo simulations and analytical approaches are used. Two interesting phenomena are found: (i) the display of enhanced shot noise for given energy dependences of the scattering time, and (ii) the recovery of full shot noise for asymptotic high applied bias. The first phenomenon is associated with the onset of negative differential conductivity in energy space that drives the system towards a dynamical electrical instability in excellent agreement with analytical predictions. The enhancement is found to be strongly amplified when the dimensionality in momentum space is lowered from three to two dimensions. The second phenomenon is due to the suppression of the effects of long-range Coulomb correlations that takes place when the transit time becomes the shortest time scale in the system, and is common to both elastic and inelastic nondegenerate diffusive conductors. These phenomena shed different light in the understanding of the anomalous behavior of shot noise in mesoscopic conductors, which is a signature of correlations among different current pulses.