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Desde su invención en 1969, los dispositivos de acoplamiento de carga o Charge Coupled Devices (CCDs) se han usado intensamente en la detección de radiación dentro del espectro visible e infrarrojo cercano, tanto en electrónica de consumo como para observación astronómicas. En las imágenes adquiridas con estos sensores, es posible observar algunas estructuras de algunos píxeles, producidas por la interacción de partículas. El desarrollo de CCD científicos fully-depleted ha permitido obtener dispositivos de hasta 675 µm de espesor y diez veces más masivos que los CCDs convencionales. Combinado a un bajo ruido de lectura, del orden de 2 e rms/pix, eso ha motivado su aplicación en experimentos de detección de partículas que depositan muy pequeña cantidad de energía en la materia, como materia oscura o neutrinos. Esta tesis se realizó en el marco de las colaboraciones de dos experimentos novedosos que hacen uso de esta tecnología: DAMIC (Dark Matter in CCDs) y CONNIE (Coherent Neutrino-Nucleous Interaction Experiment). Los aportes se enfocan principalmente en maximizar la relación señal-ruido de estos experimentos. Como parte del trabajo de tesis se montó desde cero una facilidad experimental en el Centro Atómico Bariloche para probar CCDs. Se realizó una caracterización exhaustiva de los mismos con diferentes tipos de radiación. Se los usó en detección de neutrones con la finalidad de desarrollar un técnica novedosa de neutrografía. Se trabajó en la instalación de CONNIE-100 g en el reactor nuclear Angra-1, participando en el montaje del blindaje, verificando sus detectores y electrónica de lectura en el laboratorio. Se estudió en detalle la imagen característica esperada por interacciones de materia oscura o neutrinos, denominada eventos puntuales. Debido a la falta de resolución temporal de los CCD, no es posible aplicar técnicas activas de rechazo de eventos de fondo. Por tal motivo, se desarrolló una técnica pasiva que consiste en procesar la imagen bidimensional de los eventos detectados para estimar su profundidad de interacción, y así poder aplicar cortes sobre esa variable. Para poder aumentar el número de eventos de señal detectados, se abordó el problema de la reducción del ruido electrónico de lectura. Se logró identificar las distintas fuentes de ruido, en particular la presencia de carga espuria generada durante la lectura de CCD fully-depleted. Se modificó y optimizó la electrónica de lectura logrando alcanzar un mínimo de 1.7 e rms/pix, lo cual implica un aumento del 20 % de la cia de CONNIE. Con el objetivo de reducir aún más el ruido de lectura, se trabajó en colaboración con los laboratorios Fermilab y LBNL (Lawrence Berkeley National Lab) en el desarrollo de un CCD fully-depleted del tipo skipper. La tecnología de skipper CCD fue propuesta por primera vez en 1979, y en esta tesis se logró la primer demostración fehaciente de su funcionamiento. Con el dispositivo se alcanzó un ultra bajo ruido de lectura sin precedentes de 0.068 e rms/pix, siendo la primera vez que se alcanza un nivel de ruido tan bajo que hace posible detectar electrones individuales en los píxeles de un detector estable de silicio de 8 cm2 (3.5 Mpix de 15x15 µm2). Al final de la tesis se presenta una aplicación inmediata del dispositivo, el experimento SENSEI (Sub-Electron Noise Skipper CCD Experimental Instrument), dedicado a la detección directa de materia oscura por electron-recoil. El mismo se instaló en un sitio subterráneo a ⇡ 100 metros de profundidad. El sensor tendrá probablemente otras aplicaciones, en particular donde se requiere la detección de fotones individuales como en la búsqueda de exoplanetas, espectroscopia celeste y de laboratorio de ultra alta resolución.

Se diseñaron sistemas de sensores y actuadores de dimensión molecular con el fin de tomar datos analíticos con una alta resolución espacial y temporal, y a la vez poder actuar químicamente sobre el sistema de la misma forma. Para ello se utilizó un enfoque que consiste en el diseño de actuadores en base a la química de los compuestos de coordinación de Ru(II)-bipiridina, los cuales fueron caracterizados, analizando en particular su fotoquímica. La interface entre los sensores y actuadores moleculares y el entorno macroscópico se desarrolló mediante cámaras digitales de alta resolución y de videocámaras digitales de alta velocidad y bajo costo, acopladas a microscopios iluminados por LEDs o láseres de estado sólido. Se ha sintetizado un fotoliberador de una base, la cual permite aumentar el pH de forma localizada, el cual fue utilizado en forma simultánea con un sensor basado en un indicador ácido-base, tanto en un sistema FIA como en otra clase de sistemas. La técnica utilizada para la determinación de la variable pH fue el uso de microscopía de trasmisión, lo que tiene la ventaja de evitar la necesidad de utilizar intensidades de irradiación elevadas como en el caso de técnicas de fluorescencia. También se diseñó y sintetizó un sensor de potencial redox con las bandas de absorción sintonizadas para aplicar en mediciones utilizando el mismo método de detección con cámaras CCD. Por otro lado, se diseñaron distintas sondas fluorescentes en las cuales actúa un proceso de transferencia de energía que fue utilizado para favorecer la fotoliberación de moléculas enjauladas a longitudes de ondas largas. Este fenómeno de transferencia de energía fue aplicado al desarrollo de un compuesto capaz de producir un efecto de las mismas características que la excitación convencional de dos fotones, donde la luz emitida mantiene una dependencia no lineal, sino cuadrática, respecto de la luz de irradiación, evitando la necesidad de las altísimas potencias instantáneas necesarias en la excitación de dos fotones convencional, en la que ambos fotones deben llegar en un tiempo del orden de las transiciones electrónicas. Este tipo de sondas podrían ser la base, de nuevas técnicas de microscopía de fluorescencia, permitiendo reducir enormemente los costos de equipamiento.