Doctorado en Ciencias - Física

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Estudio de las propiedades estructurales, electrónicas, magnéticas y topológicas de la familia de materiales magnéticos M(Bi1-xSbx)2Te4
(Universidad Nacional de Colombia, 2024) León, Diego Andrés; Landínez Tellez, David; González Hernández, Rafael Julian; León, Diego Andrés [0000-0001-5832-3230]; Grupo de Física de Nuevos Materiales
El estudio de materiales, desde el punto de vista de la topología, ha abierto caminos en la obtención de nuevas fases de la materia; sin embargo, en los últimos años se ha comenzado a explorar la posibilidad de obtener al mismo tiempo fases magnéticas. Estos nuevos materiales encuentran una guía para su adquisición experimental a través de trabajos teóricos de primeros principios que permitan fijar un camino seguro y un ahorro de esfuerzos y recursos. En esta tesis doctoral, por medio de primeros principios utilizando la teoría de la densidad funcional DFT, se investigan las propiedades estructurales, electrónicas, magnéticas y topológicas de la familia de materiales magnéticos M(Bi1−xSbx)2Te4, donde M representa los metales de transición del grupo 3d: Vanadio V, Cromo Cr, Manganeso Mn, Hierro Fe y Níquel Ni para x=0, x=0.5 y x=1. Se obtienen las características estructurales y las geometrías de los quince materiales magnéticos energéticamente más estables; se encuentra que en su gran mayoría esta familia de materiales crece en capas séptuples de Te, Bi (Sb), Te, M, Te, Bi (Sb), Te, unidas por fuerzas de Van der Waals. Estos materiales cristalizan en los grupos espaciales 156 y 166 con disposiciones antiferromagnéticas para el Vanadio, Manganeso, Níquel y Hierro, además de ferromagnéticas para el Cromo; las propiedades electrónicas con la corrección relativista del acoplamiento espín-órbita SOC revelan que los materiales con Vanadio, Manganeso, Hierro y Níquel son materiales semiconductores con una reducción de la brecha de energía prohibida comparada con la estructura de bandas sin SOC; se identifica el invariante topológico Z4 de los cristales, revelando la naturaleza topológica de algunas de las estructuras que contienen Vanadio, Manganeso, Hierro y Níquel (Texto tomado de la fuente).
Control magnético de un sistema molecular de puntos cuánticos inmerso en una molécula fotónica
(Universidad Nacional de Colombia, 2023) Linares Melo, Milton Smit; Vinck-Posada, Herbert; Gómez González, Edgar Arturo; Óptica e Información Cuántica (UNAL); Superconductividad y Nanotecnología (UNAL)
En este trabajo se estudia el efecto de un campo magnético externo sobre los observables en estado estacionario de algunos sistemas de microcavidades y puntos cuánticos que revisten diferentes órdenes de complejidad a nivel estructural y teórico en tanto su arquitectura física cambia al considerar y disponer diferentes componentes en distintas configuraciones. Inicialmente, se considera un punto cuántico multiexcitónico embebido en una cavidad óptica bimodal como una primera aproximación a la idea molecular en cuanto a la posibilidad de más de una excitación material en un emisor cuántico. Se continúa considerando un par de puntos cuánticos que acorde a su distribución espacial lateral o vertical constituyen una molécula tanto mediante interacciones de transferencia de energía de resonancia como mediante interacciones de tunelamiento de portadores de carga correspondiente, los cuales también se encuentran dispuestos en una cavidad óptica. Finalmente, dichos sistemas moleculares de materia se consideran embebidos en una configuración de microcavidades que aportan el componente molecular fotónico. Se construyen los modelos teóricos que definen cada uno de los sistemas de interés para posteriormente realizar un análisis hamiltoniano detallado de las relaciones de dispersión y composiciones fraccionales de los estados. Se prosigue con un análisis disipativo que incorpora los principales mecanismos decoherentes mediante el formalismo de la ecuación maestra a partir del cual se obtienen y analizan observables como las ocupaciones de los estados y funciones de correlación de segundo orden sin retraso. Todo lo anterior en función de la intensidad y el ángulo de inclinación del campo magnético externo aplicado. Se encuentra que las relaciones de dispersión de energía revelan la presencia de anti cruces como una firma de acoplamiento entre los diferentes componentes de los sistemas considerados. Además, se muestra que mediante la variación del ángulo de inclinación y la intensidad del campo magnético, se pueden manipular las dinámicas de ocupaciones en estado estacionario de los diferentes sistemas contemplados, con lo que se identificó regímenes de parámetros que propician la generación de estados biexcitónicos, moleculares excitónicos y fotónicos simples hasta estados híbridos moleculares de materia y de radiación de forma controlada en los diferentes sistemas estudiados (Texto tomado de la fuente).
Matrices de masa y mezcla del sector leptónico en el modelo con dos dobletes de Higgs
(Universidad Nacional de Colombia, 2024-04-08) Gutierrez Saavedra, Julian Steven; Quimbay Herrera, Carlos Jose; Gutierrez Saavedra, Julian Steven [0000837733]; Gutierrez, Julian [0000000349442945]; Grupo de campos y partículas
El principal objetivo de esta tesis de doctorado es obtener, en el contexto del Modelo con Dos Dobletes de Higgs tipo III (M2DH-III), expresiones análiticas exactas para las matrices de masa y de mezcla de neutrinos, que son generadas mediante el Mecanismo See-Saw tipo I (MSS-I) y el Mecanismo See-Saw tipo I+III (MSS-I+III), introduciendo una simetría permutacional de sabor S3. Para el caso del MSS-I la matriz de mezcla más general 6 × 6, que también se obtiene de manera analítica y exacta, es construida considerando simultáneamente los tres neutrinos ligeros y los tres neutrinos pesados (escenario 3+3). Para cumplir con el anterior objetivo, inicialmente se extiende el lagragiano de Yukawa incluyendo el término de Majorana, con el fin de implementar los dos mecanismos de generación de masa de neutrinos considerados, es decir MSS-I y MSS-I+III. A continuación, para cada uno de estos dos casos de generación de masa, se obtienen las matrices de masa para los neutrinos activos de Dirac y se deducen expresiones analíticas exactas para los elementos de las correspondientes matrices de mezcla en términos de las masas de los leptones cargados, de las diferencias de los cuadrados de las masas de los neutrinos y de los parámetros asociados a la simetría S3. Partiendo de estas expresiones e implementando un método estadístico de verosimilitud, para cada uno de los anteriores casos, se estiman los valores de las masas de los neutrinos activos de Dirac, de las fases de violación de CP de Dirac y de los ángulos de mezcla. Como aplicación de los resultados obtenidos para el caso del MSS-I, se consideran los dos canales de decaimiento leptónicos del tauón, con lo cual se obtiene una relación novedosa entre los cuadrados de las constantes de acoplamiento de Yukawa involucradas en estos dos procesos. Adicionalmente, para el caso MSS-I, se deducen expresiones analíticas para dos masas efectivas de Majorana, a partir de las cuales se estiman los valores de estas masas, usando las masas de los neutrinos activos de Dirac y de los ángulos de mezcla previamente obtenidos. Finalmente, se calculan las fases de violación de CP de Majorana α12, α13 y se calculan las probabilidades de oscilación de neutrino-antineutrino para el caso de tres generaciones con el fin de estimar los parámetros de violación de CP y el parámetro de asimetría Aαβ de materia antimateria (Texto tomado de la fuente)
Interacción de emisores cuánticos inmersos en cristales fotónicos
(Universidad Nacional de Colombia, 2023) Navarro Barón, Erik Petrovish; Vinck Posada, Herbert; González Tudela, Alejandro; NAVARRO BARÓN, ERIK PETROVISH [0001493647]; Navarro-Baron, Erik Petrovish [epnavarrob]; Navarro-Baron, Erik Petrovish [0000-0002-9985-3841]; Navarro Barón, Eerik Peetrovish [Erik-Petrovish-Navarro-Baron]; Grupo de Superconductividad y Nuevos Materiales; Grupo de Óptica E Información Cuántica; Navarro-Barón, Erik Petrovish [57189043120]
Photonic crystals are periodic arrays of materials with different refractive indices. This modulation of refractive indices allows controlling the flow of light, leading to the development of different technological applications, such as the design of lasers, waveguides, and optical sensors. In particular, these materials have been used to improve the radiation-matter interaction meaningful in applications of quantum mechanics in the transport, processing, and storage of information and development of light sources with quantum properties. All these developments are based on two essential factors, which are the manipulation of the dispersion relation of light, that is, the allowed and disallowed wave frequencies inside this type of structures, and the possibility of confining electromagnetic fields in tiny regions of the order of the wavelength, and of controlling the degrees of freedom of these fields. Recent advances in radiation-matter interaction in nanophotonic systems, such as photonic crystals, have led to the discovery of unconventional phenomena that may become an engine for new protocols in quantum information processing. It has opened the door to exploring new physics in these systems, making it a current topic of great scientific interest. This thesis studies the properties of electromagnetic fields inside photonic crystals. From the development of different numerical, semianalytical, and analytical methods, Maxwell’s equations in these materials are solved, with which the band structure (allowed and not allowed wave frequencies) and the distribution of electromagnetic fields of different photonic crystal systems with periodicity in one and two dimensions are obtained. Based on the characteristics of these fields, the emission and interaction properties of emitters inside these photonic crystal structures are studied. In 1D crystals, the guided mode expansion (GME) method is adapted for calculating photonic bands in micropillars; using this method, it is possible to consider the effects that the finite dimensions of the structure have on the allowed and disallowed frequencies. A transfer matrix formalism is also used to implement an analytical method that evaluates the single-point Green’s function; this allows calculating the local density of states (LDOS) for a structure of periodic multilayers (1D photonic crystal) finite with a localized defect. Through the LDOS, we identified the defective mode of the structure and calculated the decay rates of emitters within the structure. In the case of two-dimensional photonic crystal slabs, two studies were performed. First, a semianalytical method was developed that combines the k.p approximation and the GME method to obtain an analytical expression of the photonic crystal modes, which is used to evaluate the Green’s function at frequencies close to a Dirac cone-like dispersion relation. Employing the two-point Green’s function, the properties of the interaction between dipolar emitters mediated by photons are studied; it was found that the interactions in these frequency regions are of long-range (decay with the distance between emitters as 1/r^γ) and also identified a trade-off mechanism between the range and magnitude of the interaction according to the positions of the emitters. In turn, it was found that the polarization of the dipole moment of the emitters plays an essential role in the interaction nature, being coherent (conservative) if the dipoles have linear polarization and being incoherent (dissipative) in almost the whole unit cell if the emitters have circular polarization. Second, a region of frequencies within the frequency bands of a photonic crystal slab that allows directional emission was considered; this region of frequencies is associated with van Hove singularities. Through the GME method, a description of the band and mode structure that explains the directionality by means of what is known as self-collimation was carried out. The effects of the position and polarization of the emitter in the selection of the directionality were studied, finding that utilizing these two parameters makes it possible to control the emission directions and the polarization of the emitted fields.
Fractional Brownian motion applied to the study of the dynamics associated with non-stationary time series
(Departamento de Física - Universidad Nacional de Colombia, 2024-01-29) Abril Bermúdez, Felipe Segundo; Quimbay Herrera, Carlos José; Felipe Segundo Abril Bermúdez; Felipe Segundo Abril Bermúdez; Felipe Segundo Abril Bermúdez [0000-0002-2512-4929]; Felipe Segundo Abril Bermúdez; Econofisica y Sociofisica
En esta tesis doctoral se propone extender los procesos fraccionales estables, como el movimiento browniano fraccionario, haciendo uso del formalismo de la integral de camino de tal manera que tenga asociada una distribución de Levy truncada, estableciendo un vínculo entre el exponente de Hurst y el exponente del escalamiento temporal de Theil, y verificando este vínculo en series de tiempo no estacionarias empíricas. Para ello, como punto de referencia de la correcta construcción de una integral de camino estocástica, se propone primero explicar la existencia del escalamiento de la fluctuación temporal y la variación temporal de su exponente introduciendo una contribución estocástica dependiente del tiempo en la función generadora de cumulantes de la probabilidad de transición entre dos tiempos de una variable estocástica descrita en términos de un kernel de Feynman. Así, la función generadora de cumulantes se identifica como el hamiltoniano del sistema y la integral de trayectoria estocástica se inscribe en el contexto de la teoría supersimétrica de la dinámica estocástica. Con base en estos resultados y utilizando el índice de Shannon, se encuentra un nuevo escalamiento temporal denominado escalamiento temporal del índice de Theil en series de tiempo de trayectorias difusivas. De hecho, la existencia del escalamiento temporal del Theil se muestra en una amplia variedad de series de tiempo empíricas que utilizan el algoritmo de trayectoria difusiva. Además, el escalamiento temporal del Theil puede describirse como una transición de fase asociada con un funcional de energía con exponentes fraccionales y con un parámetro de orden asociado con el índice de Shannon normalizado a su valor máximo. Luego, se investiga la dependencia del exponente de Hurst generalizado con el exponente del escalamiento temporal del Theil en series de tiempo, estableciendo una relación teórica desde el enfoque de la función de partición multifractal. Finalmente, la generalización de la fórmula de Feynman-Kac se realiza en procesos fraccionales estables independiente del tipo de ruido subyacente en el sistema y teniendo en cuenta el formalismo de la integral de camino estocástica. Así, el formalismo de la integral de camino estocástica fraccional se define en términos de la función generadora de cumulantes del ruido del sistema y se aplica al caso particular de una distribución de Levy truncada. (Texto tomado de la fuente)
Impact of light-matter coupling on correlations across the classical-quantum boundary in quantum electrodynamics
(2023-12-12) Restrepo Cuartas, Juan Pablo; Vinck Posada, Herbert; J.P. Restrepo Cuartas [https://scienti.minciencias.gov.co/cvlac/visualizador/generarCurriculoCv.do?cod_rh=0000815977]; J.P. Restrepo Cuartas [gomejp]; J.P. Restrepo Cuartas [0000-0002-7430-7393]; Superconductividad y Nanotecnología; J.P. Restrepo Cuartas [56017135600]; J.P. Restrepo Cuartas [56017135600]
This thesis commences with a comprehensive introduction, paving the way for the subsequent adaptation of four articles. Following this adaptation, the analysis narrows its focus to delve into the nuances of each article. In this analysis, we have explored various interrelated aspects of light-matter interactions in quantum systems, focusing on the role of different quasiparticle representations, the quantum dynamics of emitter assemblies within cavities, the phase transition from coherent to quantum-correlated phases, and the polariton vortices dynamics using a completely quantum approach. Our findings have provided valuable insights into the behavior of these complex quantum systems, as well as their potential applications and future research directions. The comparative analysis of quasiparticle representations in a two-quantum dotmicrocavity system has underlined the importance of selecting an appropriate basis to capture the system’s essential features and quasiparticle behavior effectively. We found that the polariton basis, consisting of dressed states of photons and excitons, can capture the underlying physics in various regimes of our model. Understanding the relationship between different bases and their ability to describe the system allows for a more accurate interpretation of the underlying physical processes, which is crucial for the design and implementation of quantum systems and devices. This understanding proved essential when analyzing the quantum dynamics of an assembly of emitters embedded within a cavity. We demonstrated that the efficient transfer of a threefold star light quantum state into the assembly of emitters is achievable only within the limit of a large number of emitters. This finding highlights the critical role of scalability in successfully manipulating quantum states and designing and optimizing experiments involving such systems. Moreover, our study revealed that the dressed states of photons and matter become independent of the number of two-level atoms in the assembly as the number of emitters increases, which is characterized by the cyclic appearance of antibunching and superbunching regimes. The insights gained from exploring the phase transition from coherent to quantumcorrelated phases in light-matter interactions have enabled us better to understand the interplay between quasiparticles and their coupling strengths. We identified that the assembly of emitters reaches coherence slightly before the photonic field, highlighting the subtle interplay between light and matter subsystems. Our findings have also revealed the critical role of quantum correlations in determining the system’s overall behavior, emphasizing the importance of studying entanglement properties across different regimes. Lastly, our investigation of polariton vortices dynamics using a completely quantum approach has shown that quantum superposition between light and matter leads to a more prosperous trajectory of the vortex core. Quantum exchange coupling results in interference effects on the trajectories of the vortex cores in both components, with more complex structures serving as solid evidence of quantum entanglement between the polariton components. (Texto tomado de la fuente)
Symbiosis between quantum physics and machine learning: Applications in data science, many-body physics and quantum computation
(Universidad Nacional de Colombia, 2022-12-01) Vargas Calderón, Vladimir; Vinck Posada, Herbert; González Osorio, Fabio Augusto; Vladimir Vargas-Calderón [SfLRhYcAAAAJ]; Vladimir Vargas-Calderón [0000000154763300]; Vladimir Vargas-Calderón [Vladimir-Vargas-Calderon]; Grupo de Óptica E Información Cuántica; Superconductividad y Nanotecnología
This thesis explores the intersections between quantum computing, quantum physics and machine learning. In the three fields, estimating probability distributions plays a central role. In the case of quantum computing and quantum physics, a central object of study is the quantum state of a system, which encodes a probability dis- tribution (the converse is not true, however, as a quantum state is an object that is more general than a classical probability distribution). In the case of machine learning, most of supervised and unsupervised learning tasks can be seen as esti- mating probability distributions from a training data set, which then can be used to predict by sampling or evaluating such probability distribution. Due to the famous curse of dimensionality, both present in machine learning but also in the natural intractability of Hilbert spaces, it has been established that quantum theory and machine learning have a lot to give and learn from each other. The journey depicted in this thesis stems from quantum optics and its application to modelling quantum devices for quantum computation or simulation, such as quantum dots and their interaction with optical and acoustic cavities. Indeed, quan- tum computation has long been sought by the physics community and stands–in the collective imagination–as a “holy grail” to solve several problems in the indus- try and science. Of particular interest of mine is the study of quantum many-body problems themselves, which, in combination with quantum computing, establishes an interesting circular set of resources: quantum computation to study quantum systems that can be used for quantum computation. Unfortunately, the promise of the “holy grail” of quantum computation has not materialised to date (even though there are known applications which are expo- nentially faster than any classical algorithm, e.g. the famous Deutsch-Jozsa algo- rithm), which is why the best known approaches to studying quantum physics or quantum chemistry are still classical algorithms. In particular, there are machine learning models, known as neural quantum states, that can be used to study quan- tum many-body problems. Neural quantum states are an application of machine learning techniques for studying quantum physics. In this thesis, we show fruitful approaches to studying ground states, steady-states and closed dynamics of quan- tum systems through neural quantum states. This knowledge transfer does not only occur in one direction: quantum physics can also contribute to machine learning with quantum-inspired machine learning methods. In this thesis, we also present a framework that establishes an analogy between quantum state preparation and training, and also between quantum pro- jective measurements and prediction. Our approach condenses classical data into the quantum state of a system. We manage to show that arbitrary probability dis- tributions can be encoded in such a quantum state to arbitrary precision, given enough degrees of freedom of the quantum state. Moreover, we can condense ar- bitrarily large data sets into quantum states, which allow us to have gradient-free (actually, optimisation-free) training. This framework of ours was also put into action by implementing it on a real quantum computer for toy data sets. Finally, I also present applications of neural quantum states and quantum-inspired generative modelling to industry problems such as the famous travelling salesman problem, for which we propose a qudit-based Hamiltonian whose ground state en- codes its solution; and other problems such as the portfolio optimisation problem using tensor network generative models.
Modelos U(1)' con y sin universalidad de sabor leptónica
(Universidad Nacional de Colombia, 2022) Quimbayo García, José Manuel; Ochoa Perez, Fredy Alexander; Quimbayo J. M.
Se realiza un análisis fenomenológico en el marco de dos extensiones abelianas del grupo del Modelo Estándar de partículas elementales, uno universal en las familias de leptones y el otro no universal que distingue estas familias. En particular, en este trabajo se propone una extensión del modelo universal con violación CP espontánea, lo que resulta en un modelo viable que permite ajustar las cotas experimentales del momento magnético anómalo del muón y del momento dipolar eléctrico del electrón, encontrando regiones del espacio de parámetros simultáneamente compatibles con estas dos observaciones. Dentro del marco del modelo no universal leptónico, se hace un estudio detallado para el cálculo del decaimiento del mesón B en estados finales leptónicos, encontrando soluciones que se ajustan a las desviaciones encontradas en el experimento CERN-LHCb. (Texto tomado de la fuente)
Quantum randomness and quantum measurement in a unitary setting
(Universidad Nacional de Colombia, 2023-02-01) Rodríguez Villalba, Óscar Eduardo; Dittrich, Thomas; Caos y Complejidad
In this thesis a novel approach towards quantum measurement and quantum randomness, within the framework of unitary time evolution, is proposed. Spin measurements are simulated by coupling the spin to an environment modeled as a heat bath comprising a finite number of boson modes with initial states represented in terms of coherent states. The time evolution of the entire system is achieved by means of the multi-Davydov ansatz. In order to simulate measurements with equally likely outcomes, the spin is prepared in a neutral polarized state prior the measurement. The uncontrollable nature of the environment is captured in its initial state by preparing each mode in a coherent state sampled from a random distribution. An environment that does not introduce a deliberate bias is set by centering the random distribution in the origin of the phase space. Before considering unbiased measurements, the most appropriate parameters of the model are identified by means of simulations with intermediate initial conditions between the ground state and thermal states compatible with the time evolution method. Different measurement protocols are modeled by turning on and off the self-energy of the spin and the coupling with the environment with time-dependent modulations. The outcome of the measurement is assessed by the long-term behavior of the spin. Due to its interaction with the environment, the spin gets entangled with it losing its coherence, thus reproducing the “first state vector collapse”. Quantum randomness is observed as the tendency of the final state to approach either one of two possible eigenstates of the spin measured operator, recovering an almost pure state. The entire process is characterized by the exchange of energy and entropy between the spin and the environment. It leads to the observation of a prominent role of low-frequency modes in the long-term behavior of the spin. The measurement process is also analyzed from the information theory perspective. The information dynamics during the entire process is followed using the partial entropy of the spin. A round trip of the spin state from a pure state through a mixed state back to a final state close to a pure state is identified. With this approach the entire measurement process is reproduced in an approximate way. (Texto tomado de la fuente)
Simulación de las propiedades energéticas, termodinámicas y espectroscópicas de moléculas nanoconfinadas
(Universidad Nacional de Colombia, 2022-07-01) Carrillo Bohórquez, Orlando; Valdés de Luxán, Álvaro; Prosmiti, Rita; Química Cuántica y Computacional
El desarrollo de modelos y metodologías destinadas a entender las peculiaridades de ciertas estructuras moleculares confinantes, como clatratos, endofullerenos y nanogotas, tiene consecuencias directas en el campo de las ciencias moleculares. Estos sistemas constituyen 'nanolaboratorios' extraordinarios en los que las moléculas encapsuladas se comportan como rotores cuánticos, y en donde los niveles traslacionales y rotacionales se encuentran mezclados por el confinamiento, generando una rica estructura de niveles energéticos. Además, estos complejos han sido teorizados como materiales promisorios, con aplicaciones en el almacenamiento de energía, secuestro de gases de efecto invernadero, computación cuántica, etc. Sin embargo, el costo computacional prohibitivo que implican los cálculos teóricos ha derivado en simplificaciones de la dimensionalidad de los sistemas, o en el empleo de tratamientos clásicos que son incapaces de explotar la riqueza de los efectos cuánticos inherentes. En este trabajo se presenta la metodologı́a desarrollada en nuestro grupo para tratar moléculas triatómicas nanoconfinadas a través del método computacional Multi Configuration Time Dependent Hartree (MCTDH), con el fin de incluir cálculos de alta precisión de los niveles vibracionales y traslacionales de las moléculas enclaustradas. Se estudió la estructura de niveles energéticos de los fullerenos endohedrales H2O@C60 y H2O@C70 como casos particulares, y se exploraron dos modelos teóricos plausibles para explicar la ruptura de simetría observada en el primer sistema. Como una consecuencia directa de lo anterior, se realizó un estudio de estructura electrónica para el complejo H2O@C60, considerando la interacción de la molécula encapsulada con las estructuras de carbono básicas que constituyen al fullereno, con el objeto de obtener una descripción razonablemente precisa de la superficie de energía potencial (PES) intermolecular que incluya las interacciones entre muchos cuerpos a partir de técnicas DFT/DFT-D. Finalmente, se presenta un modelo termodinámico para el sistema H2O@C60, que reproduce algunas de las características inusuales que se observan en la concentración de isómeros de espín ortho y para del H2O a bajas temperaturas. (Texto tomado de la fuente)
Estudio de efectos competitivos en manganitas tipo La(1-x)Dy(x)Mn(1-y)Zn(y)O(3)
(2021) López Toro, José Fernando; Mendoza Barón, Gladys Aminta; Salazar Jaramillo, Daniel; Materiales Magnéticos y Nanoestructuras
En este trabajo se reporta un estudio sistemático de la estructura y propiedades magnéticas por sustitución simultánea en los sitios A y B de manganitas La(1-x)Dy(x)Mn(1-y)Zn(y)O(3) policristalinas. Los dopajes son realizados con Dy y Zn en los sitios La y Mn, respectivamente. Las sustituciones se realizaron en el rango 0.00 - 0.10 para ambos sitios. Se discuten varios efectos competitivos para explicar las propiedades físicas que conducen a la coexistencia de fases a alta temperatura: clústers ferromagnéticas (FM) en una matriz paramagnética (PM). En todas las muestras se observa, además una transición FM-PM en un rango de temperatura 130 - 190 K. Se observó que el exceso de oxígeno promueve el cambio de un estado fundamental antiferromagnético del LaMnO(3) no estequiométrico a un estado ferromagnético. Por su parte, la sustitución de Zn cambia la valencia de una cantidad correspondiente de iones Mn de 3+ a 4+ y por tanto, reduce en el material la distorsión ortorrómbica de Jahn-Teller e induce interacciones ferromagnéticas de doble intercambio. Al mismo tiempo, la dilución de Zn de la red de Mn debilita localmente el magnetismo e induce desorden en las cadenas Mn-O-Mn. El Dy con un radio significativamente menor que el La, por un lado incrementa también la distorsión ortorrómbica de la estructura de la perovskita y, por tanto, reduce las interacciones ferromagnéticas entre Mn(3+) y Mn(4+); por otra parte introduce desorden magnético en el plano MnO, lo cual localiza los electrones eg, induciendo la formación de clústers FM de doble intercambio Mn(3+) - Mn(4+) La coexistencia de fases FM-PM de alta temperatura fue estudiada a partir de la magnetización y localmente a partir de medidas de resonancia paramagnética electrónica (EPR). El estudio de la conductividad eléctrica aportó a la comprensión del intercambio eléctrico en este sistema de fases magnéticas coexistentes, evidenciando un comportamiento conocido como “cuello de botella”, debido a la localización de electrones eg en torno a los pares Mn(3+) y Mn(4+). Los resultados experimentales fueron evaluados en el rango T>Tc, empleando el modelo de Curie -Weiss para temperaturas T>T* (en donde el inverso de la susceptibilidad χ^(-1) vs T deja de ser lineal). El modelo de Heisenberg efectivo se usó para evaluar la región no lineal del inverso de la susceptibilidad χ^(-1) vs T mediante una expansión a alta temperatura y un modelo de salto adiabático de pequeños polarones fue empleado para evaluar la conductividad a alta temperatura lo cual permite conectar las propiedades eléctricas y magnéticas del material. (Texto tomado de la fuente)
Observadores relativistas y termodinámica del colapso gravitacional de cascarones negros
(Universidad Nacional de Colombia, 2022) Pulido González, Walter Alexis; Arenas Salazar, José Robel
Se estudia el colapso de un cascarón de polvo delgado desde dos enfoques diferentes: clásico y semiclásico. En el enfoque clásico se identifican superficies críticas cuyas coordenadas de tiempo y espacio intercambian sus papeles, las cuales se asocian con la presencia de horizontes cuasi-locales, sobre los que se realiza un estudio de las propiedades gravitacionales y termodinámicas. A continuación, para el enfoque semiclásico se incorpora un campo escalar, para el cascarón en colapso, con el que se calculan la densidad de energía y entropía asociadas al observador relativista FREFOS, en contraste con el observador FIDO. Con lo anterior se discute e interpretan los resultados a luz de la existencia de una densidad de energía negativa ante la presencia de un campo gravitacional fuerte. (Texto tomado de la fuente)
Estudio de las propiedades físicas de sistemas multicapas basados en GaMnSb para aplicaciones en espintrónica
(Universidad Nacional de Colombia, 2021) Calderón Cómbita, Jorge Arturo; Dussán Cuenca, Anderson; Materiales Nanoestructurados y Sus Aplicaciones
En este trabajo se fabricaron muestras de películas delgadas de GaSb y sistemas multicapas de [GaSb/Mn]_n por medio de la técnica de pulverización catódica asistida por Campo Magnético de corriente directa (“DC magnetron Sputtering”), para valores de n=1,3,6 y 12. Utilizando XRD, FTIR y Raman se estableció la presencia de fases de GaSb, Mn2Sb2, para las muestras depositadas a temperatura ambiente (300 K), junto con Mn3Ga para muestras con temperatura de sustrato de 423 K. A través de medidas de SEM, HR-SEM y AFM-MFM fue posible estudiar la formación granular en la superficie de las muestras. Se estableció que la formación de granos está descrita por el modelo de Burke para crecimiento anormal y no se tiene una correlación de la formación de dominios magnéticos en la superficie. Además, la constitución de las multicapas sigue el crecimiento columnar denso dado por el modelo MD. A partir de medidas espectroscopia de electrones Auger-Meitner y RBS fue posible estudiar los procesos de auto-difusión (D_Ga≈D_Sb~5,03×10^(-17) cm^2/s) y se propuso una solución para la segunda ley de Fick para sistemas multicapas obteniendo coeficientes de difusión de D_Mn~6,50×10^(-15) cm^2/s. Adicionalmente, el comportamiento magnético de las muestras fue estudiado utilizando un magnetrómetro SQUID y se evidenció la manifestación del fenómeno de sesgo de intercambio (“Exchange Bias”) correlacionado con la contribución ferromagnética de las fases Mn2Sb2, Mn3Ga y la contribución del comportamiento tipo ferromagnético del diluido GaSb:Mn, todas presentes en las regiones de interfaz para las muestras multicapas y la contribución antiferromagnética del Mn a 5 K; junto con la generación de histéresis a temperatura ambiente para sistemas de n=3 y n=6. A partir de medidas de I-V fue posible establecer la conmutación resistiva de las muestras, la cual se ve alterada bajo la presencia de un campo magnético externo, cuyo comportamiento fue explicado basándose en la conjunción de dos mecanismos de conducción dados por la presencia de regiones espaciales de carga y la formación de hilos de conducción manifestando su potencial uso como memorias M-RRAM. (Texto tomado de la fuente)
Densidad de estados y transporte eléctrico en superconductores y sistemas periódicos nanoestructurados
(Universidad Nacional de Colombia, 2021) Martínez Montero, Camilo Andrés; Gómez Páez, Shirley; Javier Herrera, William; Superconductividad y nanotecnología
En este trabajo analizamos el efecto de un potencial de pares periódico sobre la densidad de estados y las propiedades de transporte en superconductores no convencionales, así como el efecto de superredes periódicas semi-infinitas o finitas que se presentan en heteroestructuras conformadas por grafeno y superconductores. Se analiza un material superconductor con un potencial de pares periódico en una red cuadrada, encontrado las bandas de energía y la densidad de estados. Se encuentran y analizan la aparición de nuevas brechas de energía, que no aparecen en sistemas homogéneos, las cuales pueden ser relevantes cerca de la temperatura crítica. Para sistemas basados en grafeno se estudian superredes de bloques $pn$ acopladas a un superconductor, encontrando que el número de nuevos puntos de Dirac no es afectado por la región superconductora, pero debido a las reflexiones de Andreev locales, se puede determinar su aparición e incrementar su intensidad, lo cual podría utilizarse para su detección. Adicionalmente se analizan los casos de bloques pn asimétricos en voltajes "gate, donde se demuestra que se puede recobrar el caso simétrico haciendo un cambio en el dopaje efectivo en la lámina de grafeno, mientras que cuando los anchos son asimétricos los nuevos puntos de Dirac pueden no crearse. Se analizan los mapas de probabilidad de transmisión electrón-electrón y electrón-hueco en sistemas de lentes de Veselago GSG y G-SL-S-SL-G, con G grafeno dopado tipo n, SL una superred y S un superconductor dopado tipo p. En estos sistemas los puntos focales pueden ser mejorados cambiando los parámetros del sistema, adicionalmente, con la introducción de las superredes se puede colimar la corriente de electrones y que la señal de enfoque de huecos sea mayoritaria. Con bicapas de grafeno se estudian las lentes de Veselago encontrando cómo los fenómenos de interferencia entre las dos monocapas afectan los mapas de probabilidad de transmisión electrón-electrón, creando diferencias respecto a los resultados con monocapas de grafeno. (Texto tomado de la fuente).
Thermodynamics of Black Holes in maximally symmetric spacetimes in f(R) theories of gravity
(Universidad Nacional de Colombia, 2020-12-10) Hurtado Mojica, Roger Anderson; Arenas Salazar, Jose Robel
In this work exact solutions of the field equations in the metric formalism of f(R) theory are found for a spherical non-rotating and electrically charged mass distribution within the framework of the non-linear Born-Infeld theory. From these solutions the Black Hole temperature, entropy and specific heat are found and it was demonstrated that they coincide with the analogous quantities for the Reissner-Nordström Black Hole of General Relativity with cosmological constant. It is also found a hypergeometric model of cosmologically viable f(R), whose main characteristic is to generalize the well-known Starobinsky and Hu-Sawicki models. In Chapter 2 there is a review of the metric formalism of f(R) theory, the the field equations are found and since the f(R) theory of gravity can be expressed as a scalar-tensor theory with a scalar degree of freedom phi, by a conformal transformation, the action and its Gibbons-York-Hawking boundary term are written in the Einstein frame and the field equations in this frame are written. An effective potential is defined from part of the trace of the field equations in such a way that it can be calculated as an integral of a purely geometric term. This potential as well as the scalar potential are found, plotted and analyzed for some viable models of f(R) and for two other proposed new, shown viable, models. In Chapter 3, a cosmologically viable hypergeometric model in the modified gravity theory f(R) is found from the need for asintoticity towards LambdaCDM, the existence of an inflection point in the f(R) curve, and the conditions of viability given by the phase space curves (m, r), where m and r are characteristic functions of the model. To analyze the constraints associated with the viability requirements, the models were expressed in terms of a dimensionless variable, i.e. Rto x and f(R)to y(x)=x+h(x)+lambda, where h(x) represents the deviation of the model from General Relativity. Using the geometric properties imposed by the inflection point, differential equations were constructed to relate h'(x) and h''(x), and the solutions found were Starobinsky (2007) and Hu-Sawicki type models, nonetheless, it was found that these differential equations are particular cases of a hypergeometric differential equation, so that these models can be obtained from a general hypergeometric model. The parameter domains of this model were analyzed to make the model viable. Solutions of the field equations in f(R) theory of gravity are found in Chapter 4 for a spherically symmetric and static spacetime in the non-linear electrodynamic theory of Born-Infeld (BI). It is found that the models allowed under these conditions must have the parametric form f'(R)|_r=m+nr, where m and n are constants, whose values and signs have a strong impact on the solutions, as well as on the form and range of the function f(R). When n=0, f(R)=m R+m_0 and Einstein-BI solution is found. When mneq 0 and nneq0, the theory f(R) is asymptotically equivalent to General Relativity (GR), so that the solutions of Schwarzschild and f(R)-Reissner-Nordström can be written in some limits. Similarly, if n>0 and rgg1, the form of f(R) can be approximated by an expansion in series and as a particular case, when R_S=-frac{m^2}{3n}, can be found explicitly f(R)=m R+2nsqrt{R}+m_0. Finally, the solutions, scalar curvature and parametric form of the function f(r) in the non-linear regime (m=0) of the f(R) theory are found, and some models are plotted for specific values of m and n. In Chapter 5 it is used the conformal transformation between Jordan and Einstein frames in the formalism of the scalar-tensor theory, and the definitions of scalar field potentials, to determine in which cases the exact solutions shown here evade some generalized non-hair theorems for f(R) theory. Also, the Starobinsky quadratic model is linearized using Green functions. Some relevant Black Hole thermodynamic properties, namely entropy, temperature and specific heat are described and in some cases plotted, depending on the parameters m, n, q and Lambda, of the f(R) model, for the solutions found in Chapter 4. The technique used to calculate the Black Hole entropy is the Wald method and the symplectic potentials are calculated. It is found that the Black Hole entropy in this theory is no longer proportional to the square of the radius of the horizon, but that its expression changes according to the value of m and n. Finally, the results are discussed in Chapter 7. (Texto tomado de la fuente)
Charmed baryon spectroscopy with D0p and D+p final states at LHCb experiment
(Universidad Nacional de Colombia, 2020-02-12) Monroy Cañón, Ignacio Alberto; Milanés Carreño, Diego Alejandro; Grupo de Partículas FENYX-UN
En este trabajo de tesis de doctorado, un conjunto de sistemas D0p y Dp m as sus complejos conjugados (c.c.), que son producidos inclusivamente en el experimento LHCb, son estudiados para realizar una investigaci on en espectroscop a de bariones encantados. Todo el an alisis que se presenta hace uso de la muestra de datos almacenada por el detector LHCb en los a~nos 2011 y 2012 que corresponden a una luminosidad integrada de 3.0 fb-1, proveniente de las colisiones pp a energía de s= 7 TeV. Los mesones D son seleccionados a trav es de los desintegraciones D0->K +pi and D+-> K++pi+pi+. Un conjunto de criterios de selecci ón es aplicado para obtener los candidatos a mesones D y protones, de acuerdo a la informaci on del sistema de trazas obtenida por las componentes del detector. Una vez este proceso es realizado, un delicado estudio de reducci ón de fondo es realizado maximizando una funci ón de la pureza y la signi ficancia de los eventos de señal para la selecci on de los candidatos a bariones encantados. Reconstruyendo el espectro de las masas invariantes M(D0p) + c.c.,M(D+p) + c.c.,M(D0 anti- p) + c.c. y M(D+anti- p) + c.c. para las muestras de datos un conjunto de picos es observado, donde un ajuste simult aneo extendido y de m axima verosimilitud es realizado para obtener los valores de los par ametros de masas y anchos de estos picos los cuales son asociados con posibles nuevas estructuras. Para la muestra de datos del canal D0p, una nueva estructura cerca al umbral es observada con un valor de masa de 2840 MeV/c2. Esta estructura es consistente con la señal de un estado bari ónico excitado Lambda_ c. Para la muestra D+p, una evidencia de una estructura con un valor de masa de 3060 MeV/c2 es obtenida, consistente con un estado excitado Sigma++_c . En conexi on con esta estructura, un indicio de su compañero de isospin en la muestra de datos D0p es encontrada. Mediciones de sus masas y sus anchos con sus incertidumbres estad sticas y sistem aticas son reportados. Adicionalmente, el espectro de masas M(D0 anti-p) + c.c. y M(D+ anti-p) + c.c. han sido estudiados, donde realizando un ajuste independiente de m áxima verosimilitud ninguna evidencia de alg un tipo de estructura fue encontrada. (Texto tomado de la fuente)
Nonstationary quantum phenomena in cavity quantum electrodynamics and optomechanics
(Universidad Nacional de Colombia, 2020-08) Bernal García, Diego Nicolás; Vinck Posada, Herbert; Rodríguez Rey, Boris Anghelo; Grupo de Óptica e Información Cuántica; Superconductividad y nanotecnología
In this thesis, I present methods and techniques for the study and use of non- stationary quantum phenomena in cavity quantum electrodynamics and optomechanics. Thus, I introduce a multiple-scale perturbation technique that allows us to find excellent approximate solutions to time-local master equations describing open quantum systems, both in the stationary and nonstationary regimes. The technique provides the time-evolution of the corresponding dynamical map and, consequently, the time-evolution of the system density matrix for arbitrary initial conditions, allowing us to identify in each order the characteristic time scales involved in the problem. Furthermore, I present a nonstationary protocol for the sensing of a classical force driving a mechanical oscillator coupled to an electromagnetic cavity under two-tone driving. The applied force shifts the position of the mechanical oscillator, whose change can be monitored through the output electromagnetic field. For the purpose of analysing the force sensitivity quantitatively, I develop a theoretical framework based on the signal-to-noise ratio of linear spectral measurements, stationary or nonstationary, and I determine the conditions for optimal sensitivity. The results presented here open the door to the exploration of new forms to enhance quantum effects far from the traditional stationary regime.
Control mediante la presión y la temperatura de las propiedades ópticas en cristales fotónicos
(Universidad Nacional de Colombia, 2020-12) Segovia Chaves, Francis Armando; Vinck Posada, Herbert
Los cristales fotónicos son estructuras dieléctricas los cuales permiten el control de la propagación de la luz. En este trabajo presentamos los resultados teóricos referentes a las estructura de bandas fotónicas en cristales con patrones de periodicidad en una y dos dimensiones. Las propiedades ópticas de los cristales fotónicos se investigan solucionando las ecuaciones de Maxwell a través de métodos teóricos como matriz de transferencia, expansión en ondas planas y expansión en modos guiados. El mé\-todo de la matriz de transferencia es usado para el cálculo del espectro de transmitancia en cristales fotónicos unidimensionales, mientras que el método de expansión en ondas planas es formulado para el cálculo de la estructura de bandas fotónica en cristales fotónicos unidimensionales y bidimensionales. Al asumir la dependencia con la presión hidrostática y temperatura de la constante dieléctrica del material semiconductor constituyente del cristal; los resultados obtenidos revelan que la sintonización de la estructura de bandas es debido principalmente a la presión hidrostática en lugar de la temperatura. El método de expansión en modos guiados es usado para el cálculo de la estructura de bandas fotónica en un slab fotónico donde el confinamiento de la luz es en las tres direcciones espaciales. En particular, abordamos el problema de la determinación del factor de calidad en slabs fotónicos con cavidades L1 y L3, donde se muestra un decrecimiento del factor de calidad con el incremento en la presión hidrostática. (Texto tomado de la fuente)
Hybrid Optomechanics: an interface for qubits, cavities, and mechanical resonators
(2020-08-01) Ramírez Muñoz, Jhon Edinson; Vinck Posada, Herbert; Grupo de Óptica e Información Cuántica
The insertion of motion into the quantum realm, on one hand, has opened the door to study fundamental non-classical physics with macroscopic objects, and, on the other hand, brings promising applications for the emerging field of quantum technologies. The two main paradigms to accomplish such intriguing properties in mechanical resonators are their coupling with light confined in cavities and with artificial atoms working as quantum bits (qubits). Both are framed within the quantum acoustics field. Accordingly, implementation of many proof-of-principle studies brought from the quantum optics led to outstanding achievements in the field during the last decade, not to mention that quantum acoustics has only just started to be catapulted as a preferred scenario to realise highly performant quantum networks by being integrated with already existing architectures. A step further, the combination of qubits, cavities and mechanical resonators in a single platform, brings so many unprecedented opportunities that nowadays it has become a very active research field known as hybrid optomechanics. In this thesis, several setups involving atoms, light and motion are studied from the theoretical point of view. The main goal of the thesis is to obtain widely desired attributes of quantum networks using mechanical resonators. Firstly, this thesis demonstrates that mechanical resonators, working as mediators between qubits and cavities, allow the emission of on-demand single photons. Secondly, the research proposes that mechanical resonators can work as resources for entangling separated light-matter or cQED (from cavity Quantum Electrodynamics) nodes in a quantum network. Finally, along with experiments carried out by researchers from the Quantum Nanomechanics group at Aalto University, this thesis presents a scheme to interface multiple modes of a microwave mechanical resonator by the use of a superconducting qubit. Particularly, the external modulation on the qubit frequency is proposed as a mechanism to switch on and off the qubit-mechanics interaction, which is accompanied by a protocol for quantum storage.
Estudio de las propiedades estructurales, eléctricas y magnéticas en materiales de tipo perovskita A2BB'O6
(2020-12-09) Villa Hernández, Jorge Ignacio; Roa Rojas, Jairo; Grupo de Física de Nuevos Materiales
Materials belonging to the A2BWO6 and A2BVO6 families have shown interesting electrical and magnetic properties that may be applied to spintronics and fuel cell cathodes. The main motivation of this thesis is to synthesize and characterize materials with double perovskite type structure, especially the materials Sr2−xLaxNiWO6 (0 ≤ x ≤ 0, 15), Sr2FeWO6, Sr2CoWO6, LaFe0,5V0,5O3 y LaCo0,5V0,5O3, in order to evaluate its structural, morphological and magnetic properties. These materials were synthesized by means of the assisted gel combustion method, an unexplored synthesis method for this type of materials, which showed advantages over con-ventional synthesis methods such as the solid-state reaction method. The structural characteri-zations of the materials were carried out through X-ray diﬀraction (DRX), in some cases taking synchrotron data and implementing Rietveld reﬁnements to the obtained diﬀraction patterns. The materials Sr2NiWO6 and Sr2CoWO6 crystallized in a tetragonal structure with a space group I4/m, while the material Sr2FeWO6 crystallized in a monoclinic structure with a space group P 21/n. The materials LaCo0.5V0.5O3 and LaFe0.5V0.5O3 crystallized into orthorhombic structures with space groups P nma and P nm, respectively. The morphological properties were determined through the Scanning Electron Microscopy technique (SEM), obtaining several mi-crographs, which allowed to determine average grain sizes in the range of ≈ 80 nm −270 nm for samples with granular structure. Magnetic susceptibility curves as a function of temperature and magnetization as a function of the external magnetic ﬁeld applied were used to determine the magnetic properties. It was found that the antiferromagnetic response was characteristic for every material under study. However for the materials Sr2−xLaxNiWO6 and LaFe0.5V0.5O3, small ferromagnetic contributions were observed, while for the material LaCo0.5V0.5O3, a ferri-magnetic behavior is presented to temperatures below 150 K. Additionally, for the materials Sr2−xLaxNiWO6 Exchange Bias is presented, possibly associated with the Ni and W ions inter-actions that occur in the structure with diﬀerent valences, as a result of the inclusion of trivalent ions of lanthanum. Thus, these results motivate research on this type of materials in order to determine their potential application as fuel cell cathodes and spintronic devices.

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