Catálogo de publicaciones

Breve descripción de los alcances de cada capítulo: En el capítulo 1 presentamos una reseña histórica y bibliográfica que nos permite ubicarnos en el contexto de esta investigación y se dejan planteados los lincamientos de trabajo desarrollados. Posteriormente en el capítulo 2 se transcriben los aspectos teóricos correspondientes a la estructura atómica necesarios para la interpretación y análisis de los resultados presentados. El capitulo 3 describen los dispositivos experimentales utilizados y los arreglos necesarios para la obtención y registro de los espectros en las regiones del ultravioleta (UV), visible (VIS) e Infrarrojo (IR) estudiadas. El análisis espectral del xenón cuatro veces ionizado, Xe V, desarrollado en el capítulo 4, comprende cálculos teóricos, semiempíricos y confirmación experimental. Dichos aspectos se desarrollan en forma detallada para este ion y constituyen una referencia para la interpretación de los resultados, presentados en el capítulo 5, del análisis espectral aplicado a otros iones como el Xe IV, Xe VIII, Xe IX y Ne IV, así como en el estudio del láser de xenón. Finalmente en el capítulo 6 se resumen los aspectos más relevantes de este trabajo y se dejan planteadas las distintas líneas investigativas con proyección en el tema.

En la presente tesis, se estudiarán diferentes compuestos ternarios alternativos obtenidos a partir de la sustitución de ciertos átomos de Fe del γ′-Fe₄N por otro átomo (M), como puede ser metales 3d, 4d o metales del bloque p de la Tabla Periódica. Con tal fin, se ha usado uno de los métodos teóricos más sofisticados y ampliamente utilizados en el estudio y/o caracterización de nuevos materiales, tal como lo son los cálculos de primeros principios, o ab-initio, basados en la Teoría de la Funcional Densidad. Estos modelos nos permitirá determinar el sitio preferencial de sustitución del átomo M en el compuesto γ′-Fesub>4N, calcular el parámetro de red de equilibrio, el módulo de bulk como también hacer una caracterización de las propiedades magnéticas e hiperfinas de estos compuestos ternarios.

Esta tesis doctoral tuvo como objetivo la construcción de un modelo efectivo para la descripción del grafeno y el estudio de sus posibles aplicaciones a diversos problemas de interés relacionados con este nuevo material. El modelo aquí estudiado es inferido a partir de un Hamiltoniano no relativista para partículas confinadas a un plano, el cual es modificado mediante una deformación no abeliana del álgebra de Heisenberg de sus variables dinámicas. La idea de un espacio tiempo no-conmutativo no es moderna, en efecto, probablemente el primer ejemplo de este planteamiento haya sido discutido por L. D. Landau en 1930. Sin embargo con el advenimiento de teoría de cuerdas ha resurgido un creciente interés por estos espacios y desde entonces, las teorías de campos no-conmutativas han sido objeto de estudio en varios campos tanto en Matemática, Física Teórica como en Fenomenología. En este contexto, las ideas referidas a espacios no conmutativos han estimulado la construcción de nuevos modelos en Mecánica Cuántica. Estos espacios también resultan de interés para la Materia Condensada. En efecto, es posible describir el problema de los niveles de Landau en términos de un espacio no-conmutativo bidimensional. En los últimos años han surgido modelos basados en una deformación no abeliana del álgebra de Heisenberg, que puede ser realizada a través de un shift que relacione las variables dinámicas con el spin. Cabe destacar, no obstante, que no se ha tratado de estudiar los efectos sobre nuestro modelo de pequeñas perturbaciones debidas a la no conmutatividad en el espacio de fase. La modificación del álgebra de Heisenberg considerada en esta tesis, que pone en juego al pseudo-spin (grado de libertad que distingue a las dos subredes triangulares que conforman el cristal hexagonal del grafeno) conduce a un Hamiltoniano que, además de los términos lineales que se emplean usualmente para la descripción de sus fluctuaciones en las inmediaciones de los puntos de Dirac de su relación de dispersión, agrega términos cuadráticos que simulan la contribución de sitios segundos vecinos en el modelo de ligadura fuerte. Este hecho distingue nuestro modelo efectivo del modelo pseudo-relativista de uso común en los estudios sobre este material. Uno de los aspectos más interesantes del grafeno es que sus excitaciones de bajas energías pueden ser descritas como estados quirales no masivos de una teoría fermiónica pseudo-relativista, dando así lugar a una relación de dispersión lineal en el cuasi-momento, válida a bajas energías, donde la velocidad de la luz es reemplazada por la velocidad de Fermi, vF ≈ 10^-3c. De ese modo, el Lagrangiano que describe esas excitaciones en presencia de un campo magnético uniforme y perpendicular al plano del grafeno es similar al de la QED para fermiones sin masa. Una característica distintiva de este material es que presenta un Efecto Hall Cuántico Entero Anómalo, mostrando valores semienteros del factor de llenado. En el marco de nuestro modelo, este efecto será explicado como consecuencia de los términos cuadráticos, antes mencionados, que incluye nuestro Hamiltoniano efectivo. En resumen, en esta tesis se estudia el Hamiltoniano asociado al movimiento de una partícula no relativista de “masa” m y carga e que se mueve sobre un plano, mínimamente acoplada a un campo electromagnético externo y al equivalente de un campo magnético no abeliano uniforme en el espacio de pseudo-espín, implementado mediante variables dinámicas que satisfacen una deformación no abeliana del álgebra de Heisenberg.

En los últimos años ha surgido gran interés en la comunidad científica para obtener y manipular radiación coherente en la región del espectro electromagnético entre XUV y X Blandos. Este interés subyace en las varias aplicaciones científica, tanto en biología, química, ciencias de materiales, etc. que es posible experimentar con esta radiación. Dentro de estas aplicaciones, tal vez la más importante sea la generación de pulsos de Attosegundos (10-18s), pulsos que permiten el estudio de los fenómenos naturales en dicha escala temporal. Esta radiación hoy en día se puede lograr mediante el fenómeno físico que se conoce como Generación de Armónicos de Alto Orden (High Order Armonics Generation en ingles) HHG. En este trabajo de tesis, se presentan diversos estudios teóricos de la generación de armónicos de alto orden en gases nobles utilizando diferentes campos láser ultracortos intensos para su producción. Estos estudios conducen a explicar las principales características de los espectros de armónicos obtenidos, en estas condiciones.

En esta tesis se han considerado dos sistemas de alto interés catalítico, el compuesto intermetálico PdGa por sus aplicaciones en la industria química y las nanopartículas bimetálicas por ser excelentes candidatas para el almacenamiento de hidrógeno. En el primer sistema se estudiaron los posibles sitios de adsorción del acetileno en la superficie PdGa(110), determinándose las geometrías de adsorción y el enlace químico. Además, se computaron las frecuencias de vibración metal-adsorbato. Una vez determinado el sitio de adsorción más estable y habiendose comprobado que el enlace C-C no se rompe, se procedió a estudiar el proceso de hidrogenación. El camino de reacción versus la energía y la configuración geométrica de cada paso, así como también el enlace químico y la transferencia de carga, fueron analizados. Para el caso de la nanopartícula bimetálica Au@Pd (núcleo@cáscara) se estudió la adsorción de una molécula de hidrógeno. Se analizaron las diferentes configuraciones de adsorción tanto disociativas como no disociativas y se las comparó con cálculos equivalentes en la superficie Pd/Au(111). En todos los casos se calculó estructura electrónica, transferencia de carga, función trabajo y enlace químico. Además se estudió la cáscara mixta para la nanopartícula, debido a que las tensiones en el núcleo podrían segregar átomos de Au a la cáscara. Todos los cálculos fueron realizados utilizando la Teoría del Funcional de la Densidad (DFT) usando el código VASP. Los cambios en el enlace químico se obtuvieron usando el método implementado en el código DDEC6.

La presente Tesis se propone, como objetivo general, contribuir al estudio de los plasmas astrofísicos que conforman diversas configuraciones en el Universo; mientras que, como objetivo específico, se plantea investigar el desarrollo de inestabilidades en la microescala de plasmas completamente ionizados. En concreto, se analiza el rol del efecto Hall en la dinámica microscópica asociada a pequeñas parcelas de fluido inmersas en un flujo macroscópico tipo shear. A tal fin, se utiliza como marco teórico las ecuaciones de la teor´ıa magnetohidrodinámica, en la aproximación shearing-box, teniendo en cuenta los términos adicionales correspondientes a las corrientes de Hall. Puntualmente, se estudia la evolución de una nueva inestabilidad a la cual se nombra Hall-MSI (Hall Magneto-Shear Instability). Con este propósito, se desarrolla un modelo analítico que proporciona una descripción del comportamiento de esta inestabilidad en el régimen lineal. Los resultados teóricos obtenidos se corroboran a su vez mediante cálculos numéricos. Asimismo, las simulaciones numéricas son fundamentales para abordar el estudio de la evolución no lineal del sistema. La comprensión de los procesos físicos involucrados en la microescala, responsables de los mecanismos de transporte, presumiblemente permitirá desarrollar modelos macroscópicos que profundicen los conocimientos de distintos fenómenos astrofísicos. En este contexto, el trabajo efectuado en esta Tesis resulta especialmente importante en el análisis de los procesos de acreción y de los mecanismos de eyección, sustentación y colimación de los denominados jets. Por un lado, el efecto Hall ciertamente modifica la inestabilidad magneto-rotacional, principal candidato para explicar el origen de la microturbulencia en discos de acreción. Por el otro, el desarrollo de la inestabilidad Hall magneto-shear podría afectar la evolución de la inestabilidad de Kelvin-Helmholtz, particularmente relevante en la interfaz entre jet y medio circundante.

En los últimos años ha cobrado un gran auge el reconocimiento de la importancia de las interacciones débiles y altamente direccionales, tales como los puentes de hidrógeno, en el diseño de materiales orgánicos con propiedades específicas. Si bien existen en la literatura numerosos trabajos de recopilación de datos experimentales y cálculos teóricos relacionados con el tema, la índole de las mencionadas interacciones y la contribución de las mismas a la energía de cohesión del cristal es aún objeto de controversia. En este trabajo se utilizan técnicas de difracción de rayos-X de cristal único, a distintas temperaturas, y cálculos teóricos para estudiar las variaciones en la conformación y empaquetamiento de una molécula base al introducirse sustituyentes de distinta naturaleza. El objetivo del mismo es aportar a la comprensión de los factores que determinan: a) la conformación adoptada por las moléculas en el sólido y b) los distintos empaquetamientos cristalinos.

Las hemoproteínas se encuentran en todos los organismos vivos y tienen una gran variedad de funciones, desde el transporte de ligandos hasta fenómenos bioquímicos redox. Las funciones de las hemoproteínas están típicamente asociadas a la interacción con pequeños ligandos, como O2, NO, HNO, H2S, O2-, etc. Una de las etapas fundamentales de esta interacción son la migración del ligando a través de la matriz proteica y su posterior unión al centro metálico del hemo. Estos procesos pueden limitar la velocidad del proceso global, con su consecuente impacto biológico sobre el organismo en que se encuentra la hemoproteína. La complejidad de las hemoproteínas en función de su estructura, o condiciones del medio (temperatura, presión, etc) requieren de la utilización de diversos enfoques para abordar un estudio de los procesos mencionados. El presente trabajo de tesis tuvo como objetivo estudiar, a partir de estudios teóricos, y métodos tanto de simulación computacional como experimentales, el proceso de migración y unión de ligandos a hemoproteínas. En primer lugar, se abordó un estudio teórico sobre los estimadores de energía libre derivados de la ecuación de Jarzynski, para distribuciones de trabajo generalmente obtenidas en simulaciones de dinámica molecular guiada, tomando como caso paradigmático la migración de ligandos en metaloproteínas. En segundo lugar, se estudió mediante diversas técnicas de simulación computacional clásica y multi-escala cuántico-clásica (QM/MM) la especiación de especies de sulfuro (H2S) en hemoproteínas, utilizando además las metodologías desarrolladas en el primer capítulo. Finalmente, se estudió mediante técnicas experimentales de láser flash fotólisis el efecto de la temperatura en la migración y unión de ligandos diatómicos en hemoglobinas truncadas pertenecientes a bacterias que habitan en condiciones diferentes de temperatura: P. Haloplanktis, B. Subtilis, y T. Fusca, que son consideradas psicrófilas, mesófilas, y termófilas, respectivamente.

La búsqueda de semiconductores magnéticos con temperaturas de Curie por encima de temperatura ambiente obtuvo un nuevo impulso en la frontera de los milenios cuando a partir de cálculos teóricos se predijo que tales materiales pueden ser obtenidos usando óxidos semiconductores dopándolos con metales de transición dando origen a nuevo tipo de materiales llamados óxidos semiconductores magnéticos diluidos (O-SMD). La respuesta de la comunidad de física experimental no tardó en llegar y comenzó la búsqueda de métodos de preparación para la obtención de estos materiales. Hoy en día la variedad de métodos de preparación de O-SMD es amplia y abarca la obtención de materiales en todas sus formas como por ejemplo películas delgadas y polvo. Los objetivos de la primera parte de este trabajo fueron explorar nuevas rutas de preparación de los óxidos semiconductores TiO₂ y SnO₂ dopados con Fe y contribuir a la comprensión de los mecanismos físicos responsables del comportamiento magnético observado. Para ello se efectuó un estudio estructural, magnético e hiperfino de los mismos. La investigación experimental de los arreglos atómicos locales en los O-SMD obtenidos por reacción en estado sólido (molienda mecánica) se efectuó analizando diferentes muestras en distintos estados de aleación (evolución temporal con la molienda mecánica) y estudiando las características de los sistemas obtenidos a partir de diferentes precursores y con distintas concentraciones para el dopante. También se emplearon diferentes atmósferas de preparación y en los tratamientos térmicos posteriores. Además, se investigó el sistema Sn(Fe)O₂ preparado por síntesis química. El estudio de la evolución de los sistemas explorados aquí se efectuó mediante espectroscopía de efecto Mössbauer sobre ⁵⁷Fe y medidas magnéticas (magnetización en función del campo magnético aplicado, magnetización en función de temperatura y medidas de susceptibilidad-ac). Se complementó la información obtenida mediante técnicas estructurales tales como difracción de rayos X (DRX) y espectroscopía de absorción de rayos X (XAS: X-rays abpsortion spectroscopy). En este trabajo se muestra que ha sido posible incorporar Fe en la estructura de los semiconductores (con la estructura de rutilo) por los métodos utilizados. La evolución temporal de Sn_0.9Fe_0.1O₂ presentó principalmente dos etapas bien diferenciadas. En la primera etapa la mezcla de los precursores muestra que los átomos de hierro no llegan a incorporarse totalmente al semiconductor quedándose parcialmente en la fase de hematita y formándose la fase de hierro bcc para tiempos de molienda inferiores a 2 horas. En la segunda etapa para tiempos de trabajo mecánico más prolongados (a partir de 5 horas) los átomos de hierro se incorporan a la estructura de rutilo no observándose por la técnica de DRX otras fases. La espectroscopía Mössbauer ⁵⁷Fe a temperatura ambiente (TA) de esta serie de moliendas revela la ausencia de un orden magnético en los átomos de hierro que se encuentran en la estructura del SnO₂. Un ordenamiento magnético parcial se observó a temperaturas inferiores a temperatura ambiente. Se realizaron tratamientos térmicos (TT) a la muestra molida durante 2 h en presencia y ausencia de oxígeno para estudiar el rol de vacancias de oxígenos en el comportamiento magnético del material. El TT en ambos casos reveló la segregación de precursores con formación de una fase ternaria tipo espinela que es responsable mayoritariamente del ferromagnetismo observado. Para las muestras preparadas por la síntesis química por vía húmeda se logró incorporar hasta un 20 % at. de Fe nominal en SnO₂. Todas las técnicas aplicadas al análisis de estas muestras muestran que las mismas presentan comportamiento paramagnético a TA y solamente a muy bajas temperaturas se ordenan parcialmente antiferromagnéticamente. El dopaje de SnO₂ con hierro en fase wurtzita (FeO) en atmosfera de argón se estudió tanto en función de la concentración del dopante (para tiempos de molienda de 10 hs) como en función del tiempo de trabajo mecánico (para 10 % at. de Fe). Para tiempos cortos de molienda (hasta 2.5 h) en los espectros Mössbauer a TA se observa la fase bcc Fe(Sn) mientras que la mayoría de los restantes átomos de hierro se encuentran en estado paramagnético. Para tiempos superiores se observa una interacción magnética muy distribuida (10 % del área espectral) que se atribuye a hierros incorporados a la estructura de rutilo y que presentan un ordenamiento antiferromagnético mientras los demás iones permanecen en estado paramagnético. El sistema TiO² fue dopado con hierro en la fase hematita y molido en atmósfera de aire en función de la concentración del dopante (durante 12 horas). Los átomos de hierro en la estructura del semiconductor son paramagnéticos a TA ordenándose parcialmente a bajas temperaturas tanto ferro- como antiferromagnéticamente. Utilizando como precursores O-SMD sintetizados por aleado mecánico o síntesis química, en los cuales se haya logrado la total incorporación de los átomos de Fe a la estructura del óxido, sería interesante producir películas delgadas a fin de comparar las propiedades magnéticas de las mismas con las obtenidas en los precursores en forma de polvo. Como uno de los pasos previos y a fin de tener un método de caracterización magnética eficaz y rápido que nos permita independizarnos de la señal proveniente del sustrato se realizó, dentro del trabajo de la Tesis, la construcción de un magnetómetro basado en el Efecto Kerr (MEK) magneto-óptico. Este magnetómetro es una poderosa herramienta para el estudio de películas magnéticas delgadas, indispensable en muchos laboratorios modernos de magnetismo. La segunda parte de la Tesis se dedica a la construcción y puesta a punto de un MEK en su diseño básico. Su adecuada funcionalidad se probó comparando ciclos de histéresis obtenidos con el MEK con otros obtenidos mediante el uso de equipos convencionales (por ejemplo SQUID: Superconductor Quantum Interference Device o VSM: Vibrant Sample Magnetometer).

El presente trabajo de tesis se enmarca dentro de las actividades de investigación del Observatorio Pierre Auger. En particular, se estudió la posibilidad de utilizar un nuevo parámetro sensible a composición, que surge del estudio de las distribuciones de tiempos de arribo de las partículas secundarias en los detectores de superficie. La idea general consiste en utilizar el valor del risetime de las señales en los detectores de superficie a 1000 metros del punto de impacto de la lluvia (R₁₀₀₀), estudiando la forma de las distribuciones obtenidas a partir de dicho parámetro. En el proceso de construcción del nuevo parámetro que describe la forma de las distribuciones de R₁₀₀₀, se ha contribuido también a la optimización del cálculo del risetime y sus incertezas. En el capítulo 1 del presente trabajo se introduce el marco teórico relacionado a los rayos cósmicos ultraenergéticos. Se presentar a la física relacionada con las cascadas de partículas secundarias destacando las propiedades sensibles a composición primaria. En los capítulos 2 y 3 se describe el Observatorio Pierre Auger y el modo en que son detectadas las lluvias de partículas, dando una explicación detallada del funcionamiento del detector. En el capítulo 4 se mostrarán los resultados más relevantes obtenidos por la colaboración del Observatorio Pierre Auger. A partir del capítulo 5 se describen los estudios específicos y originales realizados en el marco del presente trabajo de tesis. En el capítulo 5 se presentan los resultados de estudios de estabilidad a largo plazo del detector de superficie, fundamentales para todo análisis basado en los datos de dicho detector. En el capítulo 6, se presentan los resultados obtenidos para la optimización en el cálculo del risetime a 1000 metros así como las modificaciones que a partir de estos estudios se han incluido en el software de reconstrucción de las lluvias. El capítulo 7 contiene los estudios realizados sobre la distribución del risetime a 1000 metros y los parámetros que describen su forma, analizando su evolución en función de la energía. Se discuten también los resultados obtenidos. Finalmente en el capítulo 8 se presentan los resultados del análisis estadístico efectuado sobre las distribuciones completas de R₁₀₀₀, y su discusión. Finalmente se presentan las conclusiones y perspectivas futuras a partir de esta tesis.