Los receptores de radioastronomía han ido mejorando con el tiempo su sensibilidad para captar las ténues señales procedentes del Universo. Los detectores de inductancia cinética (KIDs) son un tipo de detectores empleados con tal propósito y están basados en la supercondutividad, con una sensibilidad muy alta, requiriendo temperaturas criogénicas para su funcionamiento. Fruto de tal desarrollo nace la necesidad de poner en marcha sistemas criogénicos para la caracterización del funcionamiento de tales dispositivos. A lo largo de este proyecto, se llevará a cabo la caracterización completa de un sistema para la medida de KIDs, empleando para ello el nuevo criostato del Departamento de Ingeniería de Comunicaciones de la Universidad de Cantabria. Se caracterizarán todos los componentes, tales como cables, atenuadores, DC Blocks y un amplificador de bajo ruido (LNA) criogénico. Adicionalmente, se llevará a cabo el diseño, fabricación y caracterización de un atenuador para baja frecuencia que permita disponer de dicho sistema para caracterizar con precisión cualquier otro dispositivo que funcione a temperaturas criogénicas o de bajo ruido (típicamente amplificadores de bajo ruido).
Los receptores de radioastronomía han ido mejorando con el tiempo su sensibilidad para captar las ténues señales procedentes del Universo. Los detectores de inductancia cinética (KIDs) son un tipo de detectores empleados con tal propósito y están basados en la supercondutividad, con una sensibilidad muy alta, requiriendo temperaturas criogénicas para su funcionamiento. Fruto de tal desarrollo nace la necesidad de poner en marcha sistemas criogénicos para la caracterización del funcionamiento de tales dispositivos. A lo largo de este proyecto, se llevará a cabo la caracterización completa de un sistema para la medida de KIDs, empleando para ello el nuevo criostato del Departamento de Ingeniería de Comunicaciones de la Universidad de Cantabria. Se caracterizarán todos los componentes, tales como cables, atenuadores, DC Blocks y un amplificador de bajo ruido (LNA) criogénico. Adicionalmente, se llevará a cabo el diseño, fabricación y caracterización de un atenuador para baja frecuencia que permita disponer de dicho sistema para caracterizar con precisión cualquier otro dispositivo que funcione a temperaturas criogénicas o de bajo ruido (típicamente amplificadores de bajo ruido).
El avance de la ciencia depende en gran parte de la tecnología desarrollada en el momento. La aplicación de los instrumentos astronómicos es clave para obtener información y comprender el origen, el funcionamiento y el posible final del cosmos. El estudio del cosmos, por tanto, se basa en el análisis de la radiación electromagnética recibida desde el exterior de nuestro planeta. Esto se consigue, entre otros instrumentos, a través de los detectores superconductores de inductancia cinética (KID en inglés, Kinetic Inductance Detector), que a día de hoy es la tecnología punta para la detección de fotones en la banda de las microondas y de la que se hablará a lo largo de este trabajo. Hoy en día, el uso de los KIDs es fundamental para realizar estudios sobre algunos tipos de radiación como el Cosmic Microwave Background (CMB), que proporciona información única para profundizar en el conocimiento del pasado del universo. De este modo, en este estudio se pretende específicamente en caracterizar un parámetro indispensable para la detección eficiente de fotones con los KIDs, la sensibilidad.
null Los denominados sistemas cuanticos fuertemente correlacionados son un tipo particular de sistemas en los cuales las interacciones que toman parte en ellos, independientemente de su magnitud, los conducen a un regimen fisico alejado del habitual liqui do de Fermi. Este tipo de comportamiento se produce en sistemas de muy baja dimensionalidad y en la fisica actual de la materia condensada juegan un papel fundamental en areas tales como la superconductividad de alta temperatura, magnetismo cuantico y conductores de baja dimensionalidad
En esta tesis hemos estudiado distintas configuraciones de espines cuanticos interaccionando entre ellos principalmente mediante interacciones de tipo Heisenberg. En concreto hemos realizado estudios rigurosos de la escalera de Heisenberg de dos cadenas y acoplos ferro- y antiferro-magneticos, asi como de distintas configuraciones de escaleras dimerizadas compuestas por tres cadenas. La eleccion de dichos sistemas no es arbitraria sino que se debe a que to dos ellos poseen propiedades de criticalidad cuantica. Esto es, dichos sistemas poseen lineas criticas en sus diagramas de fase en los cuales se producen transiciones de fase cuanticas. Dichas transiciones se producen a temperatura cero y el mecanism o que las induce son las fluctuaciones cuanticas del sistema.
Por otra parte, en el trabajo de esta tesis hemos estudiado en profundidad la naturaleza del estado fundamental en las distintas regiones del diagrama de fases de cada modelo. En e ste sentido hemos establecido con claridad que dichas fases poseen el ordenamiento cuantico propio de los llamados solidos de enlaces de valencia: se trata de fases masivas en las cuales el estado fundamental esta separado por un intervalo finito de energia del resto del espectro. Ademas el orden intrinseco de estos estados es de naturaleza topologica en el sentido que solo puede ser caracterizado empleando parametros de orden no locales. Una parte importante del trabajo de la tesis consiste pre cisamente en la caracterizacion de estas fases haciendo uso de los llamados parametros de orden de secuencia y de torsion, los cuales estan intimamente asociados al concepto de solido de enlaces de valencia.
En el ultimo trabajo publicado en esta tesis hemos abordado un modelo muy concreto que describe una determinada nano-molecula magnetica compuesta por pocos atomos. En este contexto hemos establecido que su estado fundamental tambien posee la estructura de un solido de enlaces de valencia
Este Trabajo Fin de Grado tiene como objetivo el diseño, desarrollo e integración de un sistema de lectura de 300 MHz a 6 GHz para la medida de detectores de Inductancia Cinética (KIDs). Los KIDs son unos detectores extremadamente sensibles, con aplicaciones en radioastronomía y computación cuántica, basados en micro-resonadores superconductores que operan a temperaturas criogénicas dentro de un criostato, y cuya lectura requiere potencias muy débiles en la banda del sistema desarrollado en este trabajo. El sistema de lectura está compuesto por amplificadores de bajo ruido (LNA), conmutadores de doble vía (SPDTs), un atenuador programable, un divisor de potencia y un demodulador I/Q. Los SPDTs permiten seleccionar entre dos configuraciones de medida: mediante un analizador vectorial de redes (VNA) o a través del demodulador I/Q. En una primera fase se ha llevado a cabo el análisis, diseño y simulación del sistema de amplificación, evaluando diferentes configuraciones de LNA y SPDTs para seleccionar los componentes más adecuados. A partir de este estudio, se diseñó una PCB que posteriormente fue fabricada y corregida tras detectar problemas en una primera versión. El sistema ha sido caracterizado experimentalmente en laboratorio, tanto a nivel de placa como de componentes individuales, comprobando su comportamiento en frecuencia y en ruido. Finalmente, se ha llevado a cabo la integración de todos los elementos en una única caja, formando un sistema compacto y funcional, preparado para la lectura de KIDs mediante distintas configuraciones de medida.
Una vez expuestos en un artículo previo, los principios físicos fundamentales en los que se basa el comportamiento de los dispositivos ópticos biestables, sólo resta ya dar una breve síntesis de cuales pueden ser las aplicaciones de los mismos que se preven para un futuro próximo. Es muy posible también que algunas realizaciones futuras no hayan sido aún previstas. Pero lo que sí es seguro es que, a pesar de todo, su estudio merece una especial atención. Ello se debe, en particular, a dos hechos fundamentales. Por una parte, el que desde un punto de vista práctico es más fundamental, es el de su posible empleo en campos como las comunicaciones ópticas o los ordenadores fotónicos, temas ambos que, en este artículo, merecerán una especial atención, y que constituyen objeto central de investigación y desarrollo en todo momento. El segundo es que la biestabilidad óptica es un terreno absolutamente favorable para el estudio de los fenómenos en sistemas fuera del equilibrio. Un tema en particular, el del caos, ha visto en los últimos dos años un renacido interés gracias al conjunto de nuevos datos que ha aportado la B.O. Aunque en este artículo este último tema no será tratado ya que necesitaría uno sólo para él, nos parece importante sacarle al menos la luz.
El incipiente campo de los ordenes topologicos ha sido ampliamente estudiado tanto por las comunidad de fisica de la materia condensada como por la de simulacion cuantica. Sin embargo, es poco lo que se conoce sobre el comportamiento de estos ordenes topologicos en presencia de ruido externo o efectos disipativos.
En la primera parte de esta tesis, hemos estudiado como los estados de borde de un aislante topologico se vuelven intestables cuando se ponen en interaccion con banos termicos. Motivados por estos resultados, hemos generalizado la nocion de aislante topologico de tipo Chern para el caso de dinamicas Liouvillianas. Estas dinamicas caracterizan sistemas en presencia de disipacion que no puede ser descritos por un Hamiltoniano. Para alcanzar este objetivo de generalizacion hemos definido un nuevo indicador topologico que esta relacionado con la conductividad Hall cuantica a temperatura finita. Este formalismo describe tambien el caracter mixto de los estados de borde del aislante topologico. A modo de ejemplo, hemos estudiado modelos explicitos de aislantes topologicos acoplados a distintos canales de disipacion.
Por otra lado, hemos encontrado nuevas fases cuanticas y topologicas que permanecen cuantizadas a temperatura finita. La construccion de las mismas esta basada en la fase de Uhlman, que es una fase geometrica cuantica definida para matrices densidad; utilizadas estas ultimas para describir estados cuanticos con ruido. Empleando esta nueva herramienta, hemos sido capaces de caracterizar aislantes y superconductores topologicos a temperatura finita tanto en una como en dos dimensiones espaciales. Desde el punto de vista experimental, hemos propuesto un protocolo (independiente del estado del sistema) para medir la fase de Uhlmann topologica en un contexto de simulacion cuantica.
En la segunda parte de la tesis hemos centrado nuestros esfuerzos en el estudio de sistemas topologicos que presentan efectos de largo alcance. Los ordenes topologicos de tipo symmetry-protected han emergido tradicionalmente a partir de interacciones de corto alcance. Sin embargo, se desconoce en gran medida el rol que juegan las interacciones de largo alcance en la fisica de estos sistemas topologicos.
En esta parte de la tesis hemos analizado como las fases topologicas superconductoras se ven afectadas por la inclusion de acoplos de largo alcance. De manera muy resenable, hemos encontrado nuevas quasi-particulas topologicas debido a las interacciones de largo alcance, que no estaban presentes en modelos de corto alcance. Se trata de fermiones de Dirac no-locales protegidos por la topologia del propio sistema. Ademas, hemos estudiado como los invariantes topologicos se ven modificados por la presencia de efectos de largo alcance.
Por ultimo, en la seccion de apendices de esta tesis, hemos utilizados diversos metodos numericos para estudiar transiciones de fase cuanticas inducidas por disipacion. De esta manera, hemos considerado sistemas cuanticos con un termino disipativo que conduce el sistema a un estado estacionario de no equilibrio. En particular, hemos demostrado que la inclusion de flucturaciones de corto alcance en los sistemas fuera del equilibrio, modifica significativamente la topologia del diagrama de fases. Este es un hecho que por el contrario no se observa en la termodinamica de equilibrio.
En este trabajo de tesis se apunta a desarrollar herramientas que posibiliten la descripción de sistemas físicos de interés en información cuántica. El marco teórico de las investigaciones está dado por la teoría de la información, la mecánica cuántica y la geometría diferencial. Las investigaciones propuestas están principalmente vinculadas al interés en la naturaleza de los objetos y procesos coherentes en física, en particular focalizado en la noción de coherencia cuántica. La coherencia cuántica en sistema de muchos cuerpos representa la esencia del entrelazamiento y es un ingrediente indispensable para una multitud de fenómenos físicos en óptica cuántica, información cuántica, física de estado sólido y termodinámica a bajas temperaturas. Los estados entrelazados y el fenómeno de coherencia juegan un rol central en las ciencias de la información cuántica, cuyo desarrollo en los últimos años ha alcanzado gran relevancia a nivel global y constituye uno de los temas prioritarios de estudio en centros de investigación destacados de todo el mundo. En escenarios realistas, tales como sistemas cuánticos abiertos, la coherencia es afectada por el ruido ambiente, de acuerdo al fenómeno de decoherencia; la descripción de procesos físicos de decoherencia es un área de estudio muy activa. Para el estudio de procesos coherentes en sistemas cuánticos resulta fundamental contar con medidas apropiadas que permitan cuantificar el grado de coherencia. Se han establecido algunas propiedades que tales medidas deberían satisfacer, notando que la caracterización cuantitativa de coherencia necesita aún atención y un análisis más exhaustivo y amplio. Los objetivos específicos son explorar cuantificadores alternativos de coherencia utilizando medidas de información, lograr caracterizarla en el marco de la teoría de recursos mediante la propiedad de mayorización y avanzar sobre formulaciones geométricas y entrópicas del principio de incerteza desarrolladas por el grupo, estudiando su conexión con la coherencia cuántica.