Doctorado en Ciencias - Física

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Radón y su progenie: monitoreo individual y ambiental en minas subterráneas en la región de Antioquia, Colombia
(Universidad Nacional de Colombia, 2025-10-07) Peña Marín, Vanessa; Puerta Ortiz, Jorge Anselmo; Peña Marín, Vanessa [0000000195511185]; Puerta Ortiz, Jorge Anselmo [0000000283922363]; Física Radiológica
En este trabajo se realizaron mediciones ambientales de radón y su progenie, en una zona de minería de oro del departamento de Antioquia, Colombia, se analizaron también muestras de agua, suelo y orina de los mineros por espectrometría gamma y se realizó la simulación de los modelos biocinéticas propuestos en la publicación 137 de la ICRP en el software MatLab para los radionúclidos presentes en la cadena de desintegración del radón, esto con el fin de estimar el riesgo radiológico en los mineros que trabajan en minería subterránea. Para ello, se eligieron siete puntos diferentes de medición en tres tipos de áreas, en cada punto se usaron cámaras de electretos EPERM y detector Doseman PRO. Se encontraron valores de concentración de 222Rn entre 858,3 +- 59 Bq m-3 y 2469 +- 158 Bq m-3 y de factor de equilibrio entre 0.15 y 0.27. A través del equipo Doseman PRO se obtuvieron espectros alfa de 222Rn y 220Rn, los cuales mostraron que la contribución significante de la dosis es debida al radón y su progenie, dado que la progenie del torón se encontraba en una concentración muy baja. Se calculó también la dosis efectiva anual para los mineros bajo dos metodologías (UNSCEAR e ICRP 137) obteniendo valores de hasta 13,5 mSv, asumiendo 2000 horas de trabajo anual. De los resultados de espectrometría gamma y alfa realizados a las muestras de orina, se evidenció que en su labor los mineros también incorporan 226Ra y que la dosis efectiva comprometida recibida por los mismos debido a este radionúclido puede incluso superar la dosis estimada por la incorporación de radón. Los resultados demuestran la importancia de los datos dosimétricos, la necesidad de realizar un seguimiento individual de los mineros y de que en el país se establezca normativa y regulación respecto a la posible exposición a materiales radiactivos naturales. (Texto tomado de la fuente)
Respuesta electro-óptica de sistemas de pocas partículas en puntos cuánticos semiconductores no uniformes autoensamblados
(Universidad Nacional de Colombia, 2025-09-20) Palacio Bedoya, Juan Luis; Rincón Fulla, Marlon; Miranda Pedraza, Guillermo León; https://scienti.minciencias.gov.co/cvlac/visualizador/generarCurriculoCv.do?cod_rh=0001459749; https://scholar.google.com/citations?user=VhKo_4IAAAAJ&hl=es; Palacio Bedoya, Juan Luis [0000-0003-0613-4301]; https://www.researchgate.net/profile/Juan-Luis-Palacio-Bedoya
En el ámbito de la tecnología de semiconductores, el desarrollo de dispositivos optoelectrónicos nanoestructurados ha propiciado avances significativos en sectores como las telecomunicaciones, la computación, la medicina y la biotecnología. Estos avances se sustentan en técnicas de crecimiento cristalino que permiten el diseño preciso de nanoestructuras semiconductoras, con especial énfasis en el control de su morfología a escala nanoscópica. En la última década, los puntos cuánticos semiconductores han captado un creciente interés científico y tecnológico debido a su capacidad para manipular de forma precisa el fuerte confinamiento tridimensional de portadores de carga y, por tanto, sus propiedades ópticas. Sin embargo, la relación entre las no uniformidades morfológicas que pueden exhibir los puntos cuánticos y sus propiedades optoelectrónicas sigue siendo un interrogante abierto. Por esta razón, en aplicaciones tecnológicas se suele restringir el uso a nanoestructuras con geometrías regulares y simétricas como discos, domos, conos y pirámides, descartando otras geometrías exóticas que podrían presentar características notables. En este trabajo de tesis se profundiza en la caracterización de sistemas de una partícula móvil, como un electrón, una impureza hidrogenoide o un complejo molecular dihidrogenoide ionizado, confinados en puntos cuánticos autoensamblados de morfologías no uniformes y en configuraciones de puntos cuánticos acoplados verticalmente. El análisis de los portadores de carga en estos sistemas se realiza mediante la implementación del método de elementos finitos en dos dimensiones (FEM2D), cuyos resultados son contrastados con soluciones analíticas previamente establecidas para heteroestructuras semiconductoras, garantizando la validez de la técnica numérica. Para analizar los efectos de las morfologías no uniformes de los puntos cuánticos autoensamblados, y considerando que su altura es significativamente menor en comparación con las dimensiones de su base, se emplea la Aproximación Adiabática. Este procedimiento permite desacoplar el movimiento del portador de carga en la dirección de la altura, manteniendo el análisis en dos dimensiones sobre la base del punto cuántico mediante FEM2D, lo que reduce la complejidad computacional sin comprometer la veracidad de los resultados. Posteriormente, se extiendió el estudio mediante el método de elementos finitos en tres dimensiones (FEM3D), lo que permitió modelar de manera general los portadores de carga confinados en puntos cuánticos no uniformes. Esta aproximación posibilita una caracterización más detallada de los efectos morfológicos en las propiedades optoelectrónicas de estos sistemas nanoestructurados. Los resultados obtenidos no solo contribuyen a una comprensión más profunda de las propiedades de los puntos cuánticos no uniformes, sino que también abren nuevas perspectivas para el desarrollo de dispositivos optoelectrónicos avanzados, impulsando así el progreso en el campo de la nanociencia y la optoelectrónica. En el presente documento de tesis se sintetizan los resultados publicados en revistas científicas indexadas, junto con algunos resultados inéditos que se planean o se encuentran en proceso de revisión al momento de someter este proyecto de tesis doctoral. Estos artículos se listan a continuación: 1. Nonlinear optical absorption and refractive index change in realistic Ga1−xAlxAs/GaAs V groove quantum wires. Photonics and Nanostructures - Fundamentals and Applications, 2021. Q2 Scopus. doi:10.1016/j.mssp.2022.106762 2. Non-linear response under terahertz radiation of an asymmetric Ga1−xAlxAs/GaAs/Ga1−yAlyAs V-groove nanowire confining a singly-ionized double donor. J. Mater. Sci., 2022. Q1 Scopus. doi:10.1007/s10853-021-06738-9 3. Spectral features and optical absorption of vertically stacked V-groove quantum wires. Eur. Phys. J. Plus, 2022. Q2 Scopus. doi:10.1140/epjp/s13360-022-03219-z 4. Effects of temperature, hydrostatic pressure, and aluminum concentration on the electro optical properties of a D+2 molecular complex in elliptical GaAlAs/GaAs nanoflakes Optical and Quantum Electronics, 2023. Q2 Scopus. doi:10.1007/s11082-023-05034-x 5. Asymmetry effects on the electro-optical properties of a hydrogen molecular ion in vertically coupled InAs/GaAs quantum dots: Spatial finite element method calculations. Physica B: Condensed Matter, 2025. Q2 Scopus. doi:10.1016/j.physb.2025.416958 Algunos de los resultados preliminares y relevantes fueron socializados en los siguientes eventos científicos de carácter nacional e internacional: 1. The 5th International Conference on the Physics of Optical Materials and Devices (ICOM 2018), Igalo-Montenegro (2018) 2. XXVIII Congreso Nacional de Física (XXVIII CNF), Armenia-Colombia (2019) 3. 17th International Conference on Advanced Nanomaterials (ANM 2021), Aveiro-Portugal (2021) 4. XXIX Congreso Nacional de Física (XXIX CNF), Armenia-Colombia (2022) 5. IX Encuentro Regional de Ciencias Físicas (IX ERF), Valledupar-Colombia (2023) Este estudio fue posible gracias a la financiación de los proyectos de investigación desarrollados en la Institución Universitaria Pascual Bravo y en la Universidad Nacional de Colombia - Sede Medellín, que se listan a continuación: - Estudio espectral y de la respuesta óptica de sistemas de pocas partículas confinadas en nanoestructuras semiconductoras cuasi bidimensionales. Código: INV-FR-44. Investigador Principal: Ph.D. Marlon Rincón Fulla. Co-investigador: M.Sc. Juan Luis Palacio Bedoya. Institución Universitaria Pascual Bravo. 2019-2020. - Respuesta de la óptica de un sistema D− confinado en nanoanillos de Ga1−xAlxAs concéntri cos. Código: IN202203. Investigador Principal: Ph.D(c). Juan Luis Palacio Bedoya. Institución Universitaria Pascual Bravo. 2022-2024. - Estudio de la respuesta electro-óptica de sistemas de pocas partículas en puntos cuánticos semiconductores no uniformes. Código: 57805. Investigador Principal: Ph.D. Marlon Rin cón Fulla. Co-investigador: Ph.D(c). Juan Luis Palacio Bedoya. Universidad Nacional de Colombia - Sede Medellín. 2023-. (Tomado de la fuente)
Investigación en espectroscopía de fluorescencia intrínseca de glóbulos rojos infectados con Plasmodium falciparum y diseño de un espectrofluorímetro portátil para su detección
(Universidad Nacional de Colombia, 2024) Garrido Tamayo, Miguel Ángel; Laroze Navarrete, David; Hoyos Velasco, Fredy Edimer; Rincón Santamaría, Alejandro; Garrido Tamayo, Miguel Ángel [https://scholar.google.com/citations?user=ujSC6S0AAAAJ&hl=es]; Garrido Tamayo, Miguel Ángel [0000-0002-5018-3170]; Garrido Tamayo, Miguel Ángel [https://www.researchgate.net/profile/Miguel-Garrido-Tamayo]; Procesamiento Digital de Señales Para Sistemas en Tiempo Real; Garrido-Tamayo, Miguel Angel [59171121700]
En esta investigación se realizaron análisis espectrales mediante espectroscopía óptica de fluorescencia UV-VIS para estudiar los cambios en la fluorescencia intrínseca (autofluorescencia) de los glóbulos rojos infectados con Plasmodium falciparum, uno de los parásitos causante de la malaria, a partir de cultivos in vitro. El objetivo principal fue proponer un nuevo método físico de diagnóstico de la malaria basado en la autofluorescencia, que pueda ser implementado en un dispositivo de bajo costo y fabricado con componentes de fácil adquisición. Para lograr este objetivo, se realizaron mediciones de autofluorescencia de glóbulos rojos sanos e infectados, utilizando barridos espectrales en un rango de 255 nm a 640 nm, abarcando un total de 76 longitudes de onda de excitación. Asimismo, se caracterizaron diversos materiales con el potencial de ser utilizados como filtros ópticos, fuentes de excitación y detectores de autofluorescencia. Entre los principales resultados, se identificaron dos longitudes de onda de excitación en la región del ultravioleta (UV-A), 315 nm y 320 nm, que permiten diferenciar claramente las muestras de glóbulos rojos sanos de las infectadas. Estas longitudes de onda generaron picos de emisión máxima en el ultravioleta entre 350 nm a 366 nm, con una diferencia máxima observada en el borde superior del UV cercano, muy próximo al violeta visible a 374 y 380 nm respectivamente. Las muestras infectadas mostraron un incremento en la intensidad de fluorescencia superior al 70% en la región del ultravioleta y más del doble en la región del violeta-azul, lo cual podría estar relacionado con la presencia de fluoróforos derivados del metabolismo del parásito, así como con la disminución de proteínas estructurales, como la hemoglobina. A partir de estos resultados, se propone el diseño de un espectrofluorímetro portátil para la detección del parásito de la malaria, con el objetivo de trasladar los hallazgos experimentales a una solución práctica y accesible en el campo del diagnóstico clínico. Este dispositivo estaría basado en los principios de espectroscopía óptica de fluorescencia UV-VIS, utilizando las longitudes de onda identificadas (315 nm y 320 nm) como fuentes de excitación específicas que permiten distinguir de manera clara los glóbulos rojos infectados de los sanos. El diseño contempla componentes de bajo costo y fácil adquisición, tales como: LEDs emisores en el rango UV-A como fuente de excitación. Filtros ópticos seleccionados según las caracterizaciones realizadas, para aislar eficientemente las bandas de emisión relevantes (380–450 nm). LEDs como sensores sensibles a la región del UV cercano y azul, acoplados a sistemas de adquisición y procesamiento de señal. Además, se plantea la posibilidad de integrar el espectrofluorímetro con dispositivos móviles mediante conexiones inalámbricas, lo que facilitaría el almacenamiento, análisis y envío de datos clínicos en contextos rurales o con acceso limitado a laboratorios especializados. Desde el punto de vista social y epidemiológico, esta propuesta representa una alternativa tecnológica innovadora que podría complementar los métodos actuales de diagnóstico, reduciendo costos y tiempos de respuesta, y permitiendo una intervención más rápida en zonas endémicas. La sensibilidad del dispositivo ante los cambios espectrales derivados de la presencia del parásito ofrece un enfoque no invasivo y escalable, especialmente útil en campañas de vigilancia activa y tamizaje poblacional. (Tomado de la fuente)
Estudio electro-óptico y termodinámico de una molécula artificial D+2 confinada en acoples epitaxiales de punto-anillo cuántico
(Universidad Nacional de Colombia, 2024-10-28) Hernández Zapata, Nicolás; Rincon Fulla, Marlon; Suaza Tabares, Yoder Alberto; Hernandez Zapata, Nicolas; Hernández Zapata, Nicolás [0000-0002-3383-9799]
Esta tesis está enfocada al cálculo de propiedades electro-ópticas y termodinámicas de sistemas de pocas partículas confinados en acoples de punto anillo cuántico (CQDR por sus siglas en ingles) de GaAs recubiertos por una matriz de Ga 1−xAlxAs en presencia de campos externos como campo magnético, eléctrico, de presión hisdrostática y variaciones de la temperatura y de la concentración de material dopante. Para modelar los acoples de punto anillo cuántico se propone un modelo que permite ajustarse a la geometría real del CQDR mostrada en microscopias de fuerza atómica, permitiendo modificar la geometría del punto y del anillo de forma independiente. Las propiedades electrónicas se calcularon haciendo uso de la aproximación de masa efectiva y la función envolvente. Adicionalmente, la dimensionalidad de la nanoestructura nos permitió hacer uso de la aproximación adiabática. Los resultados finales se obtienen de forma numérica usando el método de elementos finitos. Los resultados fueron validados con sistemas que presentan soluciones analíticas y que se replican al llevar nuestra geometría a casos limites como lo son los puntos y los anillos cuánticos. Con la obtención de los niveles energéticos, y haciendo uso del formalismo de la matriz de densidad se obtuvieron distintas propiedades ópticas lineales, no lineales y totales entre las cuales destacan la absorción óptica y el cambio en el índice de refracción. La presente tesis esta soportada por diversos artículos científicos que fueron publicados durante el transcurso del trabajo doctoral. El manuscrito está compuesto por un primer capítulo introductorio donde se plantea el estado del arte y el marco teórico utilizado. El segundo capítulo corresponde al estudio de propiedades ópticas en anillos cuánticos, el cual esta fundamentado en dos artículos científicos. En el tercer capítulo se aborda el estudio de las propiedades electro-ópticas de sistemas de pocas partículas confinadas en CQDRs. Este capítulo realiza una discusión basada en a dos artículos publicados recientemente los cuales muestran adicionalmente avances sobre la investigación de otras propiedades ópticas de interés. Finalmente, el cuarto y último capítulo está dedicado a la exploración de algunas propiedades termodinámicas y su variación de acuerdo a cambios geométricos que pueden dar lugar a estructuras deformadas. (Tomado de la fuente)
Sistema LiDAR móvil en configuración Scheimpflug para monitoreo de la calidad del aire y de la fauna aérea en la atmósfera baja
(Universidad Nacional de Colombia sede Medellín, 2025) Santacruz Almeida, Luis Andrés; Solarte Rodríguez, Efraín; Morán, Jesús Oswaldo; Santacruz Almeida, Luis Andrés [0000-0001-9556-9694]
En este trabajo de tesis doctoral se llevó a cabo el diseño y construcción de un sistema móvil de monitoreo LiDAR en configuración tipo Scheimpflug, con el propósito de detectar la presencia de contaminantes aéreos en la baja atmósfera, tanto en barrido espacial como en una columna vertical de aire. La configuración del sistema permite realizar pruebas de detección y seguimiento de fuentes de emanación de contaminantes por medio de una configuración biaxial que utiliza tres telescopios astronómicos sencillos, así como un láser continuo tipo diodo de alta potencia que opera en el infrarrojo cercano y cuenta con dispositivos para detección como cámaras CCD y CMOS, controlador láser y un software de adquisición de datos, además de su diseño móvil, de fácil montaje y transporte, construido sobre el sistema de un telescopio astronómico controlado por computador que, en conjunto, conforman una plataforma de bajo costo muy conveniente para proyectos de investigación con bajo presupuesto. El sistema constituye un prototipo que puede ser replicado en otras instituciones y por otros grupos de investigación, pudiendo ser de utilidad para estudios ambientales y de física de la atmósfera, permitiendo la recopilación de datos en tiempo real e in situ. En el presente escrito se presenta el proceso de diseño y construcción del prototipo de un sistema LiDAR en configuración tipo Scheimpflug, habiéndose probado su funcionalidad con mediciones realizadas en las instalaciones de la Universidad del Valle de la ciudad de Cali, donde los resultados obtenidos fueron acordes a lo esperado para un sistema de estas características, además de que el comportamiento que se muestra del material particulado es coherente con reportes anteriores de mediciones realizadas en la región, así como con las características ambientales y ubicación de las zonas donde fue probado. (Tomado de la fuente)
Open-Source Label-Free Microscopy
(Universidad Nacional de Colombia, 2024-10) Buitrago Duque, Carlos Andrés; Garcia Sucerquia, Jorge Iván; 0000127437; nCo6tr0AAAAJ; Buitrago Duque, Carlos Andrés [0000-0001-7523-9735]; Carlos-Buitrago-Duque; Optica y Procesamiento Opto-Digital; 56051519100
The rapid innovation in modern microscopy has outpaced its commercialization and adoption, leaving many users unable to access these advances. Even within the scientific community, adopting complex peer-reported designs can be challenging. To bridge the gap between microscopy innovation and widespread implementation, efforts are needed to democratize the field, making custom, research-grade instruments easily accessible to all. In this thesis, the development of open-source tools to perform label-free analysis in current science and engineering applications through digital holographic microscopy (DHM) systems, and its related technologies, was sought. To achieve it, simulation platforms, which account for the main parameters in an experimental setup, and numerical reconstruction tools that allow the digital processing of label-free recordings, were initially developed and openly distributed. Supported by these tools, accessible instrumentation of DHM systems was pursued, allowing the design and assembly of systems with increased portability and reduced cost and complexity. The developed devices and systems were validated in real-world applications, gathering valuable feedback that highlighted improvement opportunities. Finally, these opportunities were harnessed in the refinement of the proposed systems, both the software and hardware tools, enhancing their functionality. The results were reported on 13 manuscripts submitted to indexed journals of international circulation and shared in 17 presentations in international conferences. These works, which constitute the core of the present thesis, represent significant progress towards accessible, high-performance DHM and DLHM systems, with broad potential applications in both scientific research and education. (Tomado de la fuente)
Fiber optics sensing platform for monitoring biological and chemical species at low-concentrations
(Universidad Nacional de Colombia, 2023) Patiño-Jurado, Brayan; Botero Cadavid, Juan Fernando; Garcia Sucerquia, Jorge; Patiño Jurado, Brayan de Jesús [0000-0001-7128-2525]; García Sucerquia, Jorge Iván [0000-0003-3449-6094]; Optica y Procesamiento Opto-Digital
The undertaken research work for this thesis dissertation aims for the development of a fiber optics sensing platform, which allows for the effective detection of chemical and biological species at low concentrations. This work is presented as an alternative solution to the problem posed by a lack of new portable rapid-detection technology in Colombia for the in-situ measurement of low concentrations of certain substances such as the Bovine serum albumin or Mycobacterium tuberculosis sample or the toxic ions mercury in the drinking water. In response to the robust and rapid techniques generally require complex sample preparation procedures, expensive and bulky instruments, and professionally trained personnel, which limits their portability and making them more difficult to implement in the field for vulnerable populations in remote areas. This thesis dissertation firstly presents the detailed review of the state of the art of problems involved in the detection and monitoring of chemical species such as mercury in water and biological species such as the Anti-BSA and Mycobacterium tuberculosis. Then, the evaluation, modeling, designing and fabrication of cost-effective optics fiber sensors based on interferometric principles is presented in order to determine the ability to functionalize these sensing structures with chemical or biological specific recognition substances. A reliable functionalization and activation protocol was studied, implemented, and evaluated in order to obtain a sensing surface on the optical fiber structures highly selective to detect the substances at low concentrations. Finally, the implementation and integration of the functionalized optical fiber sensor within a designed platform was evaluated with the aim of demonstrating that the rapid and sensible optical response can be processed to determine and display instantly the concentration of substance. The results of this thesis dissertation were reported on six manuscripts published in peerreview indexed journals, five presentations in international conferences, and a patent filed to the Colombian Superintendence of Industry and Commerce. These products constitute the core of the present thesis.
Correcciones a la acreción por agujeros negros en gravedad cuántica de Einstein
(Universidad Nacional de Colombia, 2022-10-26) Zuluaga Giraldo, Fabián Humberto; Sánchez Duque, Luis Alberto
Esta tesis tuvo como objetivo identificar posibles efectos cuántico-gravitacionales al estudiar sistemas astrofísicos, en el contexto de un marco teórico estructurado idealizado para someter al escrutinio de la naturaleza el proceso de acreción (captura de materia por un objeto compacto central) por agujeros negros, de forma que éste ofrezca indicios de como construir caminos para validar la propuesta a teoría cuántica de la gravitación llamada Seguridad Asintótica (AS); también conocida como Gravedad Cuántica de Einstein (EQG). En adelante, en este trabajo, deberá entenderse por Seguridad Asintótica un programa en teoría cuántica de campos que tiene como objetivo explorar implicaciones del denominado grupo de renormalización funcional que gobierna la dependencia con la escala de energía de los parámetros de un modelo de interacciones fundamentales, igualmente referidos como constantes de acoplamiento. Para la gravedad, en el contexto de esta propuesta, es fundamental la existencia de puntos fijos no triviales tanto en el infra-rojo (IR) como en el ultra-violeta (UV), a los cuales deben converger un número finito de parámetros (constantes de Newton, cosmológica, etc) que caracterizan la interacción gravitacional, de forma a garantizar que la teoría sea renormalizable por métodos no perturbativos. En astrofísica, cuando la materia cae hacia un agujero negro siguiendo una trayectoria en forma de espiral se forma una estructura denominada disco de acreción. En la descripción de la dinámica gravitacional de estos discos juegan un papel fundamental los denominados coeficientes métricos del modelo de gravitacion; que informan sobre la curvatura del espacio-tiempo en la vecindad, en este caso, del agujero negro. La conjetura AS predice la modificación de esos coeficientes, dando lugar a las llamadas métricas AS mejoradas; modificaciones que describen efectos cuántico-gravitacionales que deberían generar cambios, potencialmente medibles, en la dinámica de estos discos. Ejemplo, las observaciones realizadas por el Event Horizon Telescope (EHT). Este instrumento fue diseñado para observar fenómenos que pueden ocurrir en la vecindad del horizonte, un radio del orden del radio de Schwarzschild. La medición de esos efectos permitiría confrontar la teoría con los datos observacionales, de tal manera que esta pueda ser descartada o seguir siendo considerada como una propuesta teórica viable. En esta tesis se estudia la dinámica de la acreción esféricamente simétrica hacia un agujero negro de Schwarzschild AS mejorado resolviendo las ecuaciones obtenidas usando la gravitacion a lá Einstein (campo metrico, tensor energia-momento, hidrodinamica, etc.), y recurriendo a la técnica de sistemas dinámicos vía formulación basada en un hamiltoniano propio para la física del sistema astrofísico. Un resultado notable que se obtuvo es que la acreción isotérmica de materia ultra-relativística es posible y que se da tanto en régimen subsónico como supersónico. Este resultado es opuesto al obtenido por otros investigadores x quienes concluyen que la acreción isotérmica ultra-relativística no es posible en su enfoque de seguridad asintótica con derivadas de orden superior. En el mismo marco de esta tesis se estudian los efectos sobre la estabilidad de la acreción. El analisis indica que ésta resulta poco alterada por los efectos cuántico-gravitacionales en comparación con la conocida estabilidad en GR. Un análisis similar se hizo para el estudio de efectos cuántico-gravitacionales sobre la acreción hacia agujero negro de AS mejorado de Schwarzschild-de Sitter, y para la geometría denominada Schwarzschild anti-de-Sitter. Adicionalmente, y por primera vez en el contexto de la hipótesis AS, se hace el estudio de los efectos cuántico-gravitacionales sobre las propiedades térmicas observables de la materia en acreción en forma de disco delgado hacia un agujero negro de Schwarzschild mejorado. Debido al fenómeno de anti-apantallamiento de la interacción gravitacional a energías planckianas, es de esperarse que el radio de la órbita interna más estable (ISCO) del disco de acreción sea mayor que en el caso relativista. Se encontró, por el contrario, que el efecto cuántico-gravitacional sobre el momento angular de las partículas en el disco juega un papel fundamental haciendo que la ISCO, de hecho, disminuya forzando que las propiedades térmicas del disco sean modificadas en comparación con la predicción de la GR: mayor flujo de energía, mayor temperatura, mayor luminosidad y mayor eficiencia de la acreción. En particular, se mostró que discos de acreción alrededor de agujeros negros que rotan muy lentamente, como la fuente astrofisca conocida como Black Hole Candidate (BHC) Large Magellanic Cloud (LMC) X–3, puedan considerarse como descritos, consistentemente, por la hipótesis AS. (Texto tomado de la fuente)
Estudio experimental de aleaciones ternarias semimagnéticas de (III-V) (Mn, Cr).
(Universidad Nacional de Colombia, 2021-06-22) Doria Andrade, Jose Gregorio; Pulzara Mora, Alvaro; Materiales Cerámicos y Vítreos; Magnetismo y Materiales Avanzados
Durante más de dos décadas, el estudio de las impurezas magnéticas en semiconductores ha recibido una gran atención. El interés en estos compuestos es impulsado en parte por el deseo de utilizar el spin del electrón en la electrónica, un campo de rápida expansión en la que hoy conocemos como la espintrónica. El descubrimiento del ferromagnetismo en el grupo III-V dopados con metales de transición como Mn, Fe y Cr es de gran interés en la investigación de semiconductores magnéticos, abrió un campo de investigación de mucho interés para aplicaciones tecnológicas. La ventaja de III (Mn, Cr) V es que los efectos magnéticos, ópticos y electrónicos están todos interconectados. Además, todas estas propiedades son sensibles a los estímulos externos y pueden modificarse fácilmente mediante la aplicación de un campo eléctrico o magnético externo y también mediante radiación. Es por eso, que en el presente trabajo de tesis nos enfocamos en mostrar resultados experimentales de aleaciones semiconductoras III-V, específicamente películas delgadas de: GaCrAs, GaMnAs, y GaMnSb obtenidas por la técnica de evaporación catódica asistida por campo magnético o magnetrón sputtering. Esta técnica de preparación de películas delgadas permite controlar variables físicas involucradas en los procesos (tiempo, presión, temperatura y atmósfera), lo que hace que se convierta en una técnica ideal para obtener películas delgadas semiconductoras. Con el fin de aprovechar esta versatilidad de la técnica de preparación, recolectamos información de las propiedades físicas de cada una de las muestras obtenidas, utilizando: difracción de rayos X (DRX), microscopía Raman, microscopía electrónica de barrido (SEM), microscopía de fuerza atómica (AFM), espectroscopia de masas de iones secundarios (SIMS) y magnetometría de muestra vibrante (VSM). Lo anterior permitió corroborar la obtención del semiconductor de interés y además correlacionar las propiedades ópticas, estructurales y magnéticas en función de algunas de las variables experimentales, resultados que coinciden con los reportados en la literatura. (Tomado de la fuente)
Integrated photonic circuits based on plasmonic modes in microstructured optical fibers
(2020-11-06) Gómez-Cardona, Nelson Dario; Torres Trujillo, Pedro Ignacio; Universidad Nacional de Colombia - Sede Medellín; Fotónica y Opto-electrónica
This thesis considers the phenomena associated with plasmon modes excited in MOFs, with a particular interest in higher-order plasmon modes and their coupling with propagation modes of the MOF. These multiple couplings, according to our prior knowledge, are the cause of the multiple resonances that occur in the transmittance spectrum of the SC-MOF. At this point, the study of symmetrical structures, in which the medium surrounding the metal film is homogeneous, and antisymmetric structures, in which the upper and lower media are different, was also addressed, but in these cases, multilayer structures were used because of it offers the possibility of modifying the propagation properties of the excited plasmon modes and tuning the resonance condition, improving the performance of the devices. Following this line of analysis, the excitation of plasmon modes in MOFs containing metal-filled holes was also considered. To facilitate the modeling of the structure and a better understanding of the associated phenomena the metal-filled holes were considered as nanowires with smoothed walls, avoiding the presence of localized modes in corners formed by inhomogeneities. Overall, modeling and understanding these structures was possible obtaining conditions for exciting hybrid modes, which appear to be ideal for photonic circuits
Bloch surface waves in photonic crystal fibers
(2019-09-13) González Valencia, Esteban; Torres Trujillo, Pedro Ignacio; Universidad Nacional de Colombia - Sede Medellín
An electromagnetic surface wave (ESW) is a wave that travels at the interface between two media, and their fields decay exponentially on both sides of the boundary. ESWs are widely studied due to their potential applications in photonic devices and sensing applications, and some of the most relevant are the surface plasmon polaritons (SPPs), the lossy mode resonances (LMRs), and the Bloch surface waves (BSWs). BSWs are waves that propagate at the interface between an isotropic medium and a periodically non-homogeneous medium. This doctoral research is intended to demonstrate the excitation of Bloch surface waves in structures based on photonic crystal fibers (PCFs), seeking the development of new types of photonic devices and fiber-optic sensing applications. To achieve this objective, theoretical and numerical analysis were made, in addition to an experimental verification in D-shaped fibers. Multi-layer and a single-layer structures were proposed as sensing devices based on BSW excitations on PCFs. The designed structures have a high sensitivity and ultrahigh figure of merit, resulting in promising for high-resolution refractive index sensing.
Permeabilización de biomembranas con péptidos policatiónicos y pulsos eléctricos
(2020-04-04) Ortiz Mejía, Diego Alejandro; Lemeshko, Viktor; Universidad Nacional de Colombia - Sede Medellín; Grupo de Biofísica
Amphipathic polycationic peptides represent the Antimicrobial system of humans, animals and plants, their ability to permeabilize, in a potential way, the pathogenic microorganisms of plasma membrane is peculiar. The objective of this work was the evaluation of the possibility to increase permeabilization of biomembranes by amphipathic polycationic peptides and electrical pulses. An electroporator for biological samples and an electroporation cell were designed, which allow for the monitoring of permeabilization of live cells in real time, measuring transmittance, dispersion of light and temperature (patent # 14245762 approved, 2017). Plasma membrane permeabilization in red blood cells was performed with electrical pulses; bipolar pulses reached permeabilization between 4 to 31% of the result for bimonopolar pulses, this indicates that in the case of bipolar pulses, there is an effect of cancellation in the permeabilization by the second pulse, opposite in polarity, to the first pulse. Red blood cells permeabilization by polycationic peptides wasn’t significant, but applying both, with bimonopolar electrical pulses, the increase was significant (synergistic effect). Permeabilization cancellation effect in cell suspension was observed with polycationic peptides and bipolar electrical pulses. Between 4 and 14% of the permeabilization achieved if the pulses are bimonopolar. The cancellation degree with the second pulse of the opposite polarity decreases with increasing time between the first and the second pulse, in the case of bipolar pulses. Additionally, the modulation of the permeabilization of red blood cells with osmotic pressure, or with the surface potential of the membrane was shown. Cell permeabilization with polycationic peptides and electrical pulses is significantly increased in the hypotonic incubation medium, for example bimonopolar pulses and BTM-P4 peptide, it can reach up to 2,8 times more permeabilization than in the case of an isotonic incubation medium. The permeabilization of the cells is also greater if there is an increase in the negative surface potential of the 4 membrane, for example, with bimonopolar pulses and an increase in the negative surface potential with deoxycholate, there is 1,8 times more permeabilization of the cells. The results obtained demonstrate the possibility of activity increasing of polycationic peptides and modulating the degree and time of cell permeabilization by changing characteristics of the electrical pulses.
Estudio de capas delgadas de InAlN para su posible utilización en celdas solares de alta eficiencia
(2019-07-02) Mulcue Nieto, Luis Fernando
En ésta tesis de doctorado se estudiaron las propiedades químicas, físicas, estructurales, morfológicas, ópticas y eléctricas de la aleación semiconductora InAlN, con posibles aplicaciones en celdas solares. Se usaron estrategias para obtener la aleación semiconductora a un costo menor a los métodos actuales usados en materiales fotovoltaicos comerciales. Para esto se logró obtener el material tanto por magnetrón Sputering RF como por Sputtering DC; mediante el uso de un único blanco de InAl, y a temperatura ambiente. Así mismo, se logró sintetizar películas amorfas, policristalinas, y altamente cristalinas; lo cual permite alto grado de versatilidad en la metodología propuesta. Para realizar el estudio sistemático de las propiedades del material, se variaron principalmente tres parámetros en las capas de InAlN: La fracción molar x de InN en la aleación InxAl1-xN, el espesor, y por último el tipo de sustrato sobre el cual se depositan las capas. Como aspectos interesantes se destacan varios asuntos: El primero es la obtención de band-gaps (Eg) adecuados para emplear el material InAlN en la capa absorbente y la capa ventana de celdas solares. En segundo lugar, valores de coeficientes ópticos de absorción por encima de los asociados a materiales fotovoltaicos convencionales, lo cual permitiría usar espesores de la capa activa menores a los actuales. En tercer lugar, se reporta por primera vez la posibilidad de variar el Eg variando el espesor de la película. Por último, se construyó un dispositivo básico de celda solar heterounión tipo InAlN-n/Si-p, y así confirmar que la aleación InxAl1-xN tiene potencial su uso en celdas solares.
Estudio de capas delgadas de InAlN para su posible utilización en celdas solares de alta eficiencia
(2019-07-02) Mulcue Nieto, Luis Fernando
En ésta tesis de doctorado se estudiaron las propiedades químicas, físicas, estructurales, morfológicas, ópticas y eléctricas de la aleación semiconductora InAlN, con posibles aplicaciones en celdas solares. Se usaron estrategias para obtener la aleación semiconductora a un costo menor a los métodos actuales usados en materiales fotovoltaicos comerciales. Para esto se logró obtener el material tanto por magnetrón Sputering RF como por Sputtering DC; mediante el uso de un único blanco de InAl, y a temperatura ambiente. Así mismo, se logró sintetizar películas amorfas, policristalinas, y altamente cristalinas; lo cual permite alto grado de versatilidad en la metodología propuesta. Para realizar el estudio sistemático de las propiedades del material, se variaron principalmente tres parámetros en las capas de InAlN: La fracción molar x de InN en la aleación InxAl1-xN, el espesor, y por último el tipo de sustrato sobre el cual se depositan las capas. Como aspectos interesantes se destacan varios asuntos: El primero es la obtención de band-gaps (Eg) adecuados para emplear el material InAlN en la capa absorbente y la capa ventana de celdas solares. En segundo lugar, valores de coeficientes ópticos de absorción por encima de los asociados a materiales fotovoltaicos convencionales, lo cual permitiría usar espesores de la capa activa menores a los actuales. En tercer lugar, se reporta por primera vez la posibilidad de variar el Eg variando el espesor de la película. Por último, se construyó un dispositivo básico de celda solar heterounión tipo InAlN-n/Si-p, y así confirmar que la aleación InxAl1-xN tiene potencial su uso en celdas solares.
Desarrollo de un sistema de imágenes Raman para detección de fitopatógenos.
(2019-06-05) Velez Alvarez, Juan Esteban
Los fitopatógenos son microorganismos capaces de infectar plantas según sus características y entornos. Normalmente los fitopatógenos existen en forma de hongos, bacterias, protozoos, etc. que invaden diferentes partes de una planta como el fruto, hojas, tallos, entre otros, lo cual obligaría a un agricultor a una constante inspección por sintomatología para tomar medidas correctivas y oportunas en un cultivo. En este trabajo se abordó el tema de detección no convencional de dos especies de fitopatógenos fúngicos: \textit{Mycosphaerella fijiensis} y \textit{Colletotrichum gloeosporioides}, cuyo foco de infección son cultivos de alto valor comercial para la agro industria colombiana, principalmente banano y aguacate. Para tal fin, y teniendo en cuenta que un hongo altera la configuración energética de la estructura molecular de una planta, entonces se optó por desarrollar la técnica Raman, e incluso se diseñó y se configuró un equipo de muestreo para tal fin. El equipo construido incluye algunos dispositivos ópticos convencionales como lentes, prismas, espejos, y filtros pero también se complementó con otros sistemas de última tecnología como una cámara CCD PTGrey, y un espectrómetro B\ and W-Tech, obteniendo en definitiva un sistema de muestreo versátil y capaz de trabajar en cualquier ambiente. La detección y el registro de las señales Raman que aquí se obtuvieron corresponden a aquéllas provenientes de moléculas características de la pared celular de estos organismos, tales como quitina y $\beta$ 1,3-glucano, y que se caracterizan por una eficiencia que perfectamente garantiza su utilidad en procesos de control de calidad tanto en las etapas de cosecha como en poscosecha, indicando al usuario la presencia de estos organismos en una fase temprana, a través de imágenes que hacen posible interpretar la información espectral sin necesidad de personal experto, logrando de esta forma brindar un margen de maniobra suficiente para adoptar medidas correctivas al agricultor, haciendo posible evitar la fumigación indiscriminada de los cultivos. Para lograr esto, el equipo fue sometido a un proceso de calibración con diferentes sustancias y en fases diferentes con el propósito de garantizar las condiciones óptimas de operatividad del equipo. Todo esto fue acompañado por otros desarrollos paralelos como configuraciones ópticas auxiliares, interfases electrónicas y de control, diseños mecánicos, sistemas termodinámicos de enfriamiento en el lugar de la muestra, y desarrollo de software. El resultado es un dispositivo capaz de tomar imágenes espectrales, que posteriormente se puede utilizar para entrenar una red neuronal, que en relación a la detección de fitipatógenos en plantas permite garantizar una estimación de más del 90\% de éxito en este proceso.
Hamiltonian formulation of the full vectorial Helmholtz equation for modeling the interaction between ME composites and optical _ber immersed in electromagnetic _elds from high voltage power systems
(2019-06-21) Jiménez Mejía, Raúl Esteban; Acuña Herrera, Rodrigo (Thesis advisor)
TThis thesis deals with the proposal, analytical background and practical implementation of fiber optic based sensors for measuring electrical variables in high voltage systems. The thesis presents the physical and mathematical formulation for each of the sensing principles that were tackled in the proposition and develops the theoretical backgorund for each particular application. Three main contributions should be highlighted from the obtained results: Firstly, the formulation of the interaction characteristics with optical fibers by extending the coupled theory mode through a Hamiltonian formulation of the Helmholtz equation to account for transverse perturbations into the propagation characteristics of propagating light. Secondly, the proposition of a numerical method for predicting the magnetic characteristics of magnetostrictive-powder/epoxy composites with arbitrary shapes. Finally, the proposition of two fiber-based sensor for sensing electric variables (magnetic field and voltage magnitudes) from high voltage systems. Proposed sensors were implemented in practice and their results were contrasted to the theoretical expected performance leading to very good agreements. Future work is proposed based on the main opportunities discovered during the analytical and practical implementation of the sensors.
study of the opto-electronic properties of the systems of one and two particles in quantic rings uniform and not uniform under the influence of external fields.
(2019-06-25) Suaza Tabares, Yoder Alberto; Laroze Navarrete, David (Thesis advisor)
Improved-performance digital holographic microscopy
(2018) Trujillo Anaya, Carlos Alejandro
The present thesis of Doctorate in Sciences - Physics (PhD in Physics) focuses on the improvement of the performance of digital holographic microscopy (DHM) in its different versions. To increase the performance of this microscopy technique, new experimental essays and optical elements were developed and/or implemented to obtain phase information, new autofocusing algorithms of holographic reconstructions were designed, a numerical darkfield illumination was implemented in lensless DHM to enhance the contrast of the reconstructions and image processing algorithms were applied over holograms and its reconstructions to improve the information provided by this imaging technique. The scientific and technological interest of the project underlies the fact that DHM has multiple applications in fields such as medicine, biology, computer security, materials science, fluid analysis, among other areas, and the improvements presented in this thesis will expand its field of application. Among the expected results of this project were achieved: i) the improvement of the DHM from the topics mentioned above, ii) the publication of scientific articles and presentations in events related to the topic with global recognition, iii) the registration of the software developed during this research, and iv) a granted patent. Attached to this text can be found the 9 papers reported during this research which constitute the core of this PhD thesis.
Optimization of broadband white light continuum in gases for Z-scan and other nonlinear applications
(2019-01-25) Múnera Ortiz, Natalia; Van Stryland, Eric W. (Thesis advisor); Hagan, David J. (Thesis advisor)
The supercontinuum (SC) has attracted attention as an ideal tunable ultrafast white-light laser source. Frequency broadening has had a great deal of research interest since its appearance in early 1970's in condensed media. A large number of experiments and new theories have been developed to explain the mechanism of supercontinuum, also called white light continuum (WLC). Supercontinuum generation occurs when narrow-band incident pulses propagate inside a material. In gases, nonlinear effects such as self-focusing and self-phase modulation (SPM) balance with plasma nonlinearities via multi-photon ionization to create a filament. In case of waveguides, the propagation in anomalous regime, gives place to soliton formation. This happen when the phase accumulated by group velocity dispersion (GVD) and phase collected by the Kerr effect compensates each other. High order solitons can break into a series of fundamental solitons due to perturbation over the propagation. This effect is called soliton fission, and it is the main mechanism for supercontinuum generation (SCG) in waveguides. In this dissertation, an explanation of the nonlinear effects involved in WLC generation in gases and waveguides is made as an effort to derive a pulse propagation equation for each case. Our end goal is to use a single high power broadband source that can replace conventional tunable sources of radiation as optical parametric generators/amplifiers (OPGs/OPAs) in Z-scan applications. We show that gases are ideal for higher energy WLC generation due to their higher optical damage threshold than for condensed media. In this dissertation we demonstrate infrared (IR) SCG in a range of 800 - 1600 nm by pumping a Krypton (Kr) gas chamber at 1800 nm. The WLC generated in this work had high enough quality beam pro_les to perform closed and open aperture WLC Z-scans in the infrared from 1000 nm to 1550 nm. Its capability of measuring nonlinear absorption (NLA) and nonlinear refraction (NLR) coeffcients was proven measuring Gallium Arsenide (GaAs), Silicon (Si), and Carbon disulfide (CS2). Nonlinear characterization is important when it is necessary to predict a material behavior for an specific application. As an example, materials with high two photon absorption (2PA) can be used in micro-fabrication applications, optical data storage, bio-imaging and optical power limiting. Materials with high nonlinear refractive index can be used as optical switches or for soliton generation. Techniques such as Z-scan has been used world wide for nonlinear characterization. Thus, we performed conventional Z-scan using a Clark laser and a TOPAS-C to characterize the nonlinear behavior of a thin-film highly-doped semiconductor. Specifically, this Indium Tin oxide (ITO) semiconductor was analyzed at a particular region of wavelength which presents enhanced nonlinearities. The enhancement region turns out to be where the real part of the permittivity becomes zero, hence was denominated epsilon-near-zero (ENZ) region. In particular for ITO, the ENZ wavelength happen at near infrared. This kind of materials have recently become a popular topic because the change in the refractive index is larger than 380 %. Some application was developed in this field, for example, nanoantennas which have a recovery time less than picoseconds, beside of the intensity and wavelength dependence. Another effort of this dissertation is to perform simulation in some applications using nonlinearities in highly nonlinear fibers called photonic crystal fiber (PCF). PCF consist in a narrow core surrounded by a cladding made by large number of air holes. The geometry involved in this type of fibers, can highly confine the light and also the refractive index contrast between the core and cladding enhance the nonlinearities. The purpose of the last chapter of this dissertation is to show SCG after propagation of few centimeters inside a CS2 liquid-core PCF (LCPCF). The CS2-LCPCF is a PCF infiltrated with CS2 as an effort to further enhance the nonlinear properties of the PCFs. Additionally, it is shown a nonlinear switch made by the coupling between two infiltrated holes next to the silica core in a PCF. This at the same time uses less power than conventional switches.
Optical fiber sensors for measurements in life sciences
(2018-11-02) Cardona Maya, Yamile
The fiber optic communications industry has undoubtedly revolutionized the information and telecommunications technology (ICT) offering higher-performance and more reliable telecommunication links with ever decreasing bandwidth cost [1]. Simultaneously with these developments, fiber optic sensor technology has been associated with the optoelectronic and fiber optic communications industry, and many of the components associated with these industries were often developed for fiber optic sensor applications [1]. Fiber optic sensors take advantages of the exceptional characteristics of the optical fiber, which include compactness and small size, fast response, high resolution and sensitivity, good stability and repeatability, multiplexing capabilities, remote sensing, high flexibility, low propagating loss, affordable fabrication costs, simultaneous sensing ability, and resistance to electromagnetic interference [2–5] [1]. As optics and fiber optics component prices have fallen and quality has improved, the competence of fiber optic sensors to displace traditional sensors has increased [1], [6]. Nowadays, sensors rule the world. Sensors play a fundamental role to control and predict different products and systems, from consumer electronics to industrial environments, passing by the weather monitoring and biological and healthcare diagnosis. Those applied to health care monitoring have many benefits: minimize the cost per analysis, easy access to remote places without laboratory facilities such as vulnerable populations, reduce the treatment time and optimize the resources of the government health care system, among others [7–10]. In Colombia, for example, some transmissible diseases most frequently affect the most vulnerable populations. Since the Ministry of Health and Social Protection in Colombia should guarantees free diagnosis and treatment, and many of Colombia’s rural areas have no access to adequate health services due to geographical and demographic 26 Optical Fiber Sensors for measurements in Life Sciences characteristics, along with the difficulties caused by the armed conflict, and other situations of violence; the priority must be given to those rural areas. One of the main purposes of the Ministry of Health and Social Protection is to carry out continuous and systematic monitoring of the epidemiological behavior in transmissible diseases. This monitoring should be performed in accordance with processes established that allow the notification, collection, and data analysis. Thus generating valid and reliable timely information to guide prevention and control measures for those diseases [11]. However, achieving this purpose is very complicated if conventional methods used for the detection of the diseases fail to reach the population affected. Therefore, it is essential to adapt and improve the technology used to detect those diseases when it is required to collect information at the remote zones with difficulties in accessing health services. The optical fiber biosensensing technology exhibits a good promising future to solve the issues that the conventional diagnosis methods used present such as: long procedures, expensive equipment and reagents, specialized personnel, lack of portability, low sensitivities, and need of biomarkers. In addition to the sensitivity and selectivity, one of the fundamental characteristics that makes most biosensors so potential is the possibility of performing the analysis of the substance to be determined directly, i.e. without the need for a marker, and in real time. These two characteristics give biosensors the possibility to perform not only a qualitative and quantitative analysis, but also the possibility of evaluating the kinetics of the interaction (affinity constant, association and dissociation, among others) and, therefore, elucidate the fundamental mechanisms of such interaction. In this thesis it is studied a novel biosensing technology applied to immunoassays (detection of an antigen/antibody binding) based on the single-mode-multimode-single mode (SMS) fiber optic structure. This structure consists of optical fiber that relies on a multimode interferometry operating principle. Optical fiber SMS immunosensors here studied present several advantages: Optical Fiber Sensors 27 • The proposed structure has biosensing parameters comparable to those achieved by more complex structures like long period grating and surface plasmon resonances, which places this immunosensing device as a very promising option for biological and medical applications where high sensitivities, high selectivity and compact structures are required. • The sinusoidal spectrum of the SMS sensors proposed allows a sharp peak corresponding to the fundamental frequency to be observed. Consequently, it is possible to obtain a phase sensitive device by tracking the phase of this fundamental frequency as a function of the parameter to detect. FFT analysis technique is shown to have advantages since it could simplify the detection system making unnecessary the use of sophisticated optical interrogators. • The proposed structure and the bioassay performed is a label free assay, which implies that detection molecules are not labelled or modified. This means easier and lower cost procedures. The main results obtained using this concept of biosensors will be presented along this thesis as is described. First, Chapters 1 and 2, include an overview of the optical fiber sensors field, mainly focused on optical fiber biosensors. The sensors developed as a result of this thesis are presented as contributions in Chapters 3, 4, 5 and 6. These contributions were submitted to peer-reviewed top scientific journals and conferences. Finally, Chapter 7 presents and discusses a series of conclusions, current work, and future perspectives derived from this thesis.

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