Current Sheet Regulation of Solar Near-relativistic Electron Injection Histories

We present a sample of three large near-relativistic (>50 keV) electron events observed in 2001 by both the ACE and the Ulysses spacecraft, when Ulysses was at high-northern latitudes (>60◦) and close to 2 AU. Despite the large latitudinal distance between the two spacecraft, electrons injected near the Sun reached both heliospheric locations. All three events were associated with large solar flares, strong decametric type II radio bursts and accompanied by wide (>212◦) and fast (>1400 km s−1) coronal mass ejections (CMEs). We use advanced interplanetary transport simulations and make use of the directional intensities observed in situ by the spacecraft to infer the electron injection profile close to the Sun and the interplanetary transport conditions at both low and high latitudes. For the three selected events, we find similar interplanetary transport conditions at different heliolatitudes for a given event, with values of the mean free path ranging from 0.04 AU to 0.27 AU. We find differences in the injection profiles inferred for each spacecraft. We investigate the role that sector boundaries of the heliospheric current sheet (HCS) have on determining the characteristics of the electron injection profiles. Extended injection profiles, associated with coronal shocks, are found if the magnetic footpoints of the spacecraft lay in the same magnetic sector as the associated flare, while intermittent sparse injection episodes appear when the spacecraft footpoints are in the opposite sector or a wrap in the HCS bounded the CME structure.

Estudi de la configuració magnètica de l'experiment LTP (LISA Technology Package)

La Teoria de la Relativitat General preveu que quan un objecte massiu és sotmès a una certa acceleració en certes condicions ha d’emetre ones gravitacionals. Es tracta d’un tipus d’on altament energètica però que interacciona amb la matèria de manera molt feble i el seu punt d’emissió és força llunyà. Per la qual cosa la seva detecció és una tasca extraordinàriament complicada. Conseqüentment, la detecció d’aquestes ones es creu molt més factible utilitzant instruments situats a l’espai. Amb aquest objectiu, neis la missió LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Es tracta aquesta d’una missió conjunta entre la NASA i l’ESA amb llançament previst per 2020-2025. Per reduir els riscs que comporta una primera utilització de tecnologia no testejada, unit a l’alt cost econòmic de la missió LISA. Aquesta missió contindrà instruments molt avançats: el LTP (LISA Technoplogy Package), desenvolupat per la Unió Europea, que provarà la tecnologia de LISA i el Drag Free flying system, que s’encarregarà de provar una sèrie de propulsors (thrusters) utilitzats per al control d’actitud i posició de satèl•lit amb precisió de nanòmetres. Particularment, el LTP, està composat per dues masses de prova separades per 35 centímetres, i d’un interferòmetre làser que mesura la variació de la distància relativa entre elles. D’aquesta manera, el LTP mesurarà les prestacions dels equips i les possibles interferències que afecten a la mesura. Entre les fonts de soroll es troben, entre d’altres, el vent i pressió de radiació solar, les càrregues electrostàtiques, el gradient tèrmic, les fluctuacions de voltatge o les forces internes. Una de les possibles causes de soroll és aquella que serà l’objecte d’estudi en aquest projecte de tesi doctoral: la presència dintre del LTP de camps magnètics, que exerceixen una força sobre les masses de prova, la seva estimació i el seu control, prenent en compte les caracterírstiques magnètiques de l’experiment i la dinàmica del satèl•lit.

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.

Electromagnetismo en medios materiales con monopolos magnéticos

Els monopols es defineixen, teòricament, com càrregues que generen camps amb divergència diferent de cero. Malgrat això, les entitats amb comportament mimètic al dels monopols magnètics, segueix sent compatible amb ∇·B=0, han estat detectades experimentalment en gels d’espín (‘spin-ices’). Aquesta aparent contradicció pot generar confusió i, per tant, requereix explicació. D’altra banda, s’estudien propietats duals del materials amb càrregues magnètiques efectives tals com la ‘magnetricity’ en els ‘spinices’ (conductivitat de les càrregues magnètiques davant un camp magnètic extern). Com una conseqüència de la magnetricitat, l’apantallament del camp magnètic en materials amb càrregues magnètiques és analitzat. Estudio la propagació d’ones electromagnètiques transversals en medis materials infinits i en plasmes magnètics diluïts davant la presència de camps elèctrics externs constants. Aquesta propagació és dual a la propagació d’ones en plasmes de càrregues elèctriques davant la presència de camps magnètics externs, constants. Finalment, estudio el frenat elèctric d’un conductor de càrregues magnètiques amb un efecte dual al frenat magnètic en conductors elèctrics.

Nanostructuració d'òxids mitjançant mètodes de solució química avançats i nanolitografia tova

Un dels reptes tecnològics més importants del segle XXI és el desenvolupament i organització de materials funcionals a escala nanomètrica ja que permet modificar-ne les propietats fonamentals i generar-ne de noves. En el cas dels òxids complexos aquesta tecnologia ha generat grans perspectives en diferents àrees d’estudi perquè presenten propietats molt interessants com la magnetoresistència colossal, superconductivitat o multiferroicitat. En particular, en l’òxid complex superconductor YBa2Cu3O7 (YBCO) s’ha demostrat que la formació de capes superconductores sobre plantilles nanoestructurades o bé la formació de nanocompostos en una matriu superconductora permet millorar de manera espectacular les seves propietats (corrent crític). Aquests resultats introduiran canvis paradigmàtics en la tecnologia de l’energia elèctrica (cables, motors, generadors) i en totes aquelles aplicacions que requereixin camps magnètics intensos. Ara bé, cal aconseguir-ho mitjançant tècniques de baix cost i que permetin un fàcil escalat. Durant els 4 mesos que s’ha disfrutat de l’ajut BP s’han preparat amb èxit noves capes primes superconductores nanoestructurades mitjançant la introducció d’una fase secundària nanomètrica complexa, Ba2YTaO6 (BYTO), dins la matriu d’YBCO pel mètode de baix cost de deposició de solucions químiques. Aquesta nova composició ha donat lloc a un augment significatiu de les propietats superconductores comparat amb la fase tradicional d’YBCO i per tant tenen gran potencial per fabricar futures cintes superconductores.

Can a Halo CME from the limb be geoeffective?

The probability for a halo coronal mass ejection (CME) to be geoeffective is assumed to be higher the closer the CME launch site is located to the solar central meridian. However, events far from the central meridian may produce severe geomagnetic storms, like the case in April 2000. In this work, we study the possible geoeffectiveness of full halo CMEs with the source region situated at solar limb. For this task, we select all limb full halo (LFH) CMEs that occurred during solar cycle 23, and we search for signatures of geoeffectiveness between 1 and 5 days after the first appearance of each CME in the LASCO C2 field of view. When signatures of geomagnetic activity are observed in the selected time window, interplanetary data are carefully analyzed in order to look for the cause of the geomagnetic disturbance. Finally, a possible association between geoeffective interplanetary signatures and every LFH CME in solar cycle 23 is checked in order to decide on the CME's geoeffectiveness. After a detailed analysis of solar, interplanetary, and geomagnetic data, we conclude that of the 25 investigated events, there are only four geoeffective LFH CMEs, all coming from the west limb. The geoeffectiveness of these events seems to be moderate, turning to intense in two of them as a result of cumulative effects from previous mass ejections. We conclude that ejections from solar locations close to the west limb should be considered in space weather, at least as sources of moderate disturbances.

Oscillatory magnetic tweezers based on ferromagnetic beads and simple coaxial coils

We report the design and validation of simple magnetic tweezers for oscillating ferromagnetic beads in the piconewton and nanometer scales. The system is based on a single pair of coaxial coils operating in two sequential modes: permanent magnetization of the beads through a large and brief pulse of magnetic field and generation of magnetic gradients to produce uniaxial oscillatory forces. By using this two step method, the magnetic moment of the beads remains constant during measurements. Therefore, the applied force can be computed and varies linearly with the driving signal. No feedback control is required to produce well defined force oscillations over a wide bandwidth. The design of the coils was optimized to obtain high magnetic fields (280 mT) and gradients (2 T/m) with high homogeneity (5% variation) within the sample. The magnetic tweezers were implemented in an inverted optical microscope with a videomicroscopy-based multiparticle tracking system. The apparatus was validated with 4.5 ¿m magnetite beads obtaining forces up to ~2 pN and subnanometer resolution. The applicability of the device includes microrheology of biopolymer and cell cytoplasm, molecular mechanics, and mechanotransduction in living cells.

Electrical transport quantum effects in the In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As heterostructure on silicon

Electrical transport in a modulation doped heterostructure of In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As grown on Si by molecular beam epitaxy has been measured. Quantum Hall effect and Subnikov¿De Haas oscillations were observed indicating the two¿dimensional character of electron transport. A mobility of 20¿000 cm2/V¿s was measured at 6 K for an electron sheet concentration of 1.7×1012 cm¿2. Transmission electron microscopy observations indicated a significant surface roughness and high defect density of the InGaAs/InAlAs layers to be present due to the growth on silicon. In addition, fine¿scale composition modulation present in the In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As may further limit transport properties.

Epitaxial growth of biferroic YMnO3(0001) on platinum electrodes

Epitaxial films of the biferroic YMnO3 (YMO) oxide have been grown on platinum-coated SrTiO3(1 1 1) and Al2O3(0 0 0 1) substrates. The platinum electrodes, (1 1 1) oriented, are templates for the epitaxy of the hexagonal phase of YMO with a (0 0 0 1) out-of-plane orientation, which is of interest as this is the polarization direction of YMO. X-ray diffractometry indicates the presence of two crystal domains, 60° rotated in-plane, in the Pt(1 1 1) layers which subsequently are transferred on the upperlaying YMO. Cross-section analysis by high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM) of YMnO3/Pt/SrTiO3(1 1 1) shows high-quality epitaxy and sharp interfaces across the structure in the observed region. We present a detailed study of the epitaxial growth of the hexagonal YMO on the electrodes.

Perovskite-based heterostructures integrating ferromagnetic-insulating La0.1Bi0.9MnO3

We report on the growth of thin films and heterostructures of the ferromagnetic-insulating perovskite La0.1Bi0.9MnO3. We show that the La0.1Bi0.9MnO3 perovskite grows single phased, epitaxially, and with a single out-of-plane orientation either on SrTiO3 substrates or onto strained La2/3Sr1/3MnO3 and SrRuO3 ferromagnetic-metallic buffer layers. We discuss the magnetic properties of the La0.1Bi0.9MnO3 films and heterostructures in view of their possible potential as magnetoelectric or spin-dependent tunneling devices.

Effect of a transverse magnetic field on resonant magnetization tunneling in high-spin molecules

The recent observation of steps at regular intervals of magnetic field in the hysteresis loops of oriented crystals of the spin-10 molecular magnet Mn12O12(CH3COO)16(H2O)4 has been attributed to resonant tunneling between spin states. Here, we investigate the effect on the relaxation rate of applying the magnetic field at an angle with respect to the easy axis of magnetization. We find that the position of the resonances is independent of the transverse component of the field, and is determined solely by the longitudinal component. On the other hand, a transverse field significantly increases the relaxation rate, both on and off resonance. We discuss classical and quantum mechanical interpretations of this effect

Magnetic field scaling of relaxation curves in small particle systems

We study the effects of the magnetic field on the relaxation of the magnetization of smallmonodomain noninteracting particles with random orientations and distribution of anisotropyconstants. Starting from a master equation, we build up an expression for the time dependence of themagnetization which takes into account thermal activation only over barriers separating energyminima, which, in our model, can be computed exactly from analytical expressions. Numericalcalculations of the relaxation curves for different distribution widths, and under different magneticfields H and temperatures T, have been performed. We show how a T ln(t/t0) scaling of the curves,at different T and for a given H, can be carried out after proper normalization of the data to theequilibrium magnetization. The resulting master curves are shown to be closely related to what wecall effective energy barrier distributions, which, in our model, can be computed exactly fromanalytical expressions. The concept of effective distribution serves us as a basis for finding a scalingvariable to scale relaxation curves at different H and a given T, thus showing that the fielddependence of energy barriers can be also extracted from relaxation measurements.