Grado en Física

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Entrelazamiento cuántico
(2024-07-04) Copado del Castillo, Pablo; Casado Pascual, Jesús; Universidad de Sevilla. Departamento de Física Atómica, Molecular y Nuclear
Quantum entanglement is a phenomenon that has puzzled physicists for a long time. The aim of this work is to provide a general basic understanding of entangled states, introducing some mathematical tools frequently used in quantum mechanics. We will review the historical interest in these states, some of their uses, and a few rules for identifying them, limiting ourselves to the simplest case in which we have two entangled systems.
Simulación numérica de ondas de gravedad en fluidos
(2024-05-23) García Morillo, José María; Pérez Izquierdo, Alberto Tomás; Vázquez González, Pedro Ángel; Universidad de Sevilla. Departamento de Electrónica y Electromagnetismo; Universidad de Sevilla. Departamento de Física Aplicada III
Estudio de la energía de enlace en sólidos iónicos: extensión a óxidos de alta entropía
(2024-05-22) Panadero Medianero, Paula; Blázquez Gámez, Javier Sebastián; Manchón Gordón, Alejandro F.; Universidad de Sevilla. Departamento de Física de la Materia Condensada
En este trabajo se realiza un estudio del enlace iónico desde un punto de vista energético, partiendo de dos modelos para describir la energía reticular, los modelos de Born-Mayer y de Born-Landé. Su aplicación a los sólidos con estructura NaCl y CsCl nos permite decantarnos por el modelo de Born-Mayer, ya que estima la energía reticular con un error relativo menor del 12% para los compuestos con un carácter iónico superior al 40%. Al aplicar el modelo a óxidos monocatiónicos, encontramos que uno de los parámetros del potencial tiene un valor constante, mientras que el otro tiene dependencias lineales con el módulo de volumen y la distancia de equilibrio. El estudio de estas dependencias nos permite extender nuestro modelo a óxidos ternarios y de alta entropía. En el caso de los óxidos ternarios, la aplicación del modelo permite hallar el valor del parámetro reticular con un error relativo menor al 1%, mejorando así los resultados estimados a partir de la ley Vegard. En el caso de su aplicación a los óxidos de alta entropía, también supone una mejora frente a la ley de Vegard, ya que permite hacer una primera estimación de la energía reticular. Además, permite estudiar las tendencias que siguen los óxidos de distintas estructuras al aplicarle nuestro modelo.
Formación de estructuras cosmológicas
(2024-05-24) Vázquez Ruiz, Rafael Adolfo; Domínguez Alvarez, Álvaro; Universidad de Sevilla. Departamento de Física Atómica, Molecular y Nuclear
En la presente memoria realizamos un estudio teórico de la formación de las primeras inhomogeneidades en el campo de densidad de materia del universo y su evolución en el marco del modelo de polvo en gravitación newtoniana. Para ello, comenzamos estudiando la expansión del universo homogéneo e isótropo. Posteriormente estudiamos la evolución de inhomogeneidades primigenias empleando la teoría lineal de perturbaciones. Finalmente, extendemos este análisis al régimen no lineal mediante la aproximación de Zel’dovich.
Estudio del instrumental científico de la Facultad de Física de la Universidad de Sevilla
(2024-07) Sevilla Rodríguez, Lucía; Caballero Flores, Rafael; Gallardo López, Ángela María; Universidad de Sevilla. Departamento de Física de la Materia Condensada
Introducción al control de sistemas estocásticos
(2024-07) Molina Barrera, David; Prados Montaño, Antonio; Universidad de Sevilla. Departamento de Física Atómica, Molecular y Nuclear
Controlar los procesos termodinámicos que conectan estados en sistemas mesoscópicos es posible, dentro del marco teórico de la Termodinámica Estocástica. Estos sistemas son aquellos en los que el contacto con un baño térmico hace aparecer un ruido o fuerza aleatoria en su dinámica; un ejemplo paradigmático es una partícula browniana sumergida en un fluido. En este trabajo, tras una introducción teórica sobre el movimiento browniano y los conceptos termodinámicos en la mesoescala, controlamos la evolución temporal de la constante elástica de un potencial armónico para conectar dos estados de equilibrio, correspondientes a valores distintos de la constante elástica, de una partícula browniana confinada en este potencial. En primer lugar, haciendo uso de la técnica de ingeniería inversa, mostramos que la conexión acelerada entre estados es factible, alcanzándose un estado de equilibrio con una constante elástica que cuadriplica la inicial en un tiempo 50 veces inferior al de relajación natural. Esto se consigue a cambio de efectuar un trabajo medio sobre el sistema unas 30 veces superior a la diferencia de energía libre entre los estados. También tratamos el problema de minimización del trabajo efectuado en una conexión isoterma, siguiendo para ello dos enfoques bien diferenciados: uno numérico, que no lleva a ninguna mejora significativa; y uno formal, por medio de un método de mapeado a problema de transporte óptimo de masa—que describimos para un potencial arbitrario. El protocolo que minimiza el trabajo isotermo también puede obtenerse, para el potencial armónico, usando directamente un principio variacional; recurrimos aquí al método de mapeado simplemente para ilustrar una de las herramientas de optimización disponibles dentro del campo del control. El protocolo óptimo de variación de la rigidez conlleva una reducción de, aproximadamente, un 20% en el trabajo irreversible—entendiéndolo como la diferencia entre trabajo medio y variación de energía libre entre los estados—que los protocolos subóptimos anteriormente obtenidos. Todos los protocolos anteriores se implementan en simulaciones numéricas para comprobar que se han determinado correctamente, consiguiendo un buen acuerdo con las predicciones teóricas.
Elasticidad y acústica de los materiales a través de las figuras de Chladni
(2024-07) Sabao Marcos, Mario; Morales Flórez, Víctor; Rivero Antúnez, Pedro; Universidad de Sevilla. Departamento de Física de la Materia Condensada
En el presente Trabajo de Fin de Grado, se aborda el estudio de la elasticidad y la acústica de los materiales mediante la observación de las figuras de Chladni. Se inicia con una descripción histórica y teórica de la propia acústica y de los patrones, destacando el el desarrollo de la experiencia por Ernst Chladni y el interés de figuras históricas como Napoleón o Sophie Germain. Se detalla el modelo matemático utilizado para describir las vibraciones en placas delgadas y la resolución de la ecuación de ondas específica para las mismas. En la fase experimental, se presentan los procedimientos y montajes experimentales para visualizar los patrones de Chladni, que reflejan los modos resonantes de la placa. Además, se llevó a cabo la experiencia para obtener y analizar las figuras de Chladni, confirmando los modelos teóricos previamente descritos. Los resultados permiten una mejor comprensión de las propiedades acústicas y el comportamiento vibracional de los materiales, proporcionando datos sobre el módulo de Young y otros parámetros relevantes. Finalmente, se discuten las implicaciones de los hallazgos y se proponen aplicaciones para futuras investigaciones en el campo de la acústica y la elasticidad de materiales.
Teoría de la turbulencia en fluidos
(2024-07) Gutiérrez Baquero, Guillermo; Domínguez Álvarez, Álvaro; Universidad de Sevilla. Departamento de Física Atómica, Molecular y Nuclear
En este trabajo se deduce la ecuación de Navier-Stokes para la dinámica de fluidos. Tras imponer condiciones de incompresibilidad, se realiza un análisis matemático exacto de la misma. Se obtiene la ecuación de balance energético, las simetrías que cumple y se realiza un análisis de Fourier para conocer sus propiedades de escala. Se muestra que la ecuación puede presentar sensibilidad a condiciones iniciales lo que justifica un tratamiento estadístico del problema. Finalmente, se estudia el límite de velocidades altas (número de Reynolds grande) en que domina el término convectivo no lineal, y se introducen los resultados más importantes de la teoría más básica de la turbulencia, conocida como teoría de Kolmogorov K41.
A Comprehensive Analysis of the Planetary Boundary Layer from 2020 till 2023
(2024-05) Bernabé Morera, María; Gómez García, Diego; Universidad de Sevilla. Departamento de Física de la Materia Condensada
In this final Degree report the Planetary Boundary Layer (PBL) is going to be described in terms of the variables: altitude from ground, temperature, pressure and wind speed. The author has made use of data collected through theweather balloon technique at Radiosondes Atmospheric Station (ESAt) of INTA (Huelva). Measurements were made at two particular moments in the day, at 11am and at 11pm from 2020 to 2023. Data were taken using the gradient temperature method (TGM). First, they are plotted in emagrams after sounding and then determined from the table data from the Meteociel French website. The empirical information is then compared with the theoretical assumptions of the PBL. Data analysis was carried out by means of RStudio code by averaging parameters to analyse their tendencies. Climate change consequences on small scale will be assesed as well as the increase of PBLH and turbulence regime on wind. Results are compared with data collected for the analysis of dust events from Africa by professor Jesús de la Rosa Damián, University of Huelva (UHU). Our work will conclude with some features of the evolution of the PBL during the year in terms of the upper limit, local temperature, pressure and wind speed.
Indirect Detection of Gravitational Waves in Binary Systems
(2024-05) Begines Sánchez, José Manuel; Oñorbe Bernis, José; Universidad de Sevilla. Departamento de Física Atómica, Molecular y Nuclear
Gravitational waves are ripples in the fabric of spacetime, predicted by Einstein while developing the theory of General Relativity. This prediction got indirectly proven firstly by Hulse and Taylor in 1981, which won the Nobel prize for them in 1993 and afterwards directly proven by the association Ligo in 2015, observation which lead to another Nobel prize in 2017. In this work I have carried out the full analytical derivation of the energy loss a source undergoes due to the emission of gravitational waves, which can be detected as a decrease of the orbital period of a binary system. To measure this predicted decrease of orbital period, Russel Hulse and Joseph Taylor measured the signal emitted by the binary pulsar PSR B1913+16 obtaining measurements which agreed with the expected. So, after the derivation of the equation which describes the energy loss, I have revised the methods and considerations used to make this observation. Additionally, I have carried a numerical analysis on how the emission of energy depends on the properties of the binary system. This way, I have studied at what points of the parameter space of a binary system the expected loss of orbital period is detectable. In general, this work not only serves as an example of an observational technique to prove General Relativity predictions but it also shows how the effects which arise from General Relativity has proven useful for the study of the properties of binary pulsars in Astrophysics.
Modelado de aleaciones de alta entropía: efecto en el patrón de difracción
(2024-05) Caballero Gómez, Pablo; Blázquez Gámez, Javier Sebastián; Universidad de Sevilla. Departamento de Física de la Materia Condensada
Estudio mediante difracción de rayos X de defectos estructurales en carburo de titanio
(2024-07) Amaya Santos, Rodrigo; Cumbrera Hernández, Francisco Luis; Universidad de Sevilla. Departamento de Física de la Materia Condensada
El carburo de titanio es un material refractario con excelentes propiedades físicas como su elevada conductividad térmica y eléctrica y su resistencia a la corrosión que permiten su empleo como recubrimiento protector. Además, esta cerámica avanzada cuenta con una alta dureza, por lo que es ampliamente usada como herramienta de corte. Esta memoria tiene como objetivo caracterizar, mediante difracción de rayos X, los defectos estructurales de unas muestras de TiC sinterizadas a diferentes temperaturas y con diferentes rampas de calentamiento por el método de Spark Plasma Sintering. Partiendo de una anomalía observada en los difractogramas, se ha elaborado un modelo termodinámico basado en la producción de pares Schottky, lo que constituye un resultado original reportado por primera vez. Igualmente, se ha puesto de manifiesto la dependencia con la temperatura del parámetro reticular y de la concentración de pares Schottky. Del análisis detallado de los perfiles de difracción (Line Broadening Analysis) y haciendo uso de los métodos Williamson-Hall y Warren-Averbach se ha obtenido una información exhaustiva tanto de la Función de Distribución de Tamaño de Cristalito como la medida de los estados de microdeformación vinculados a tensiones internas en el cristal y probablemente vinculadas a los pares Schottky. Además, se han identificado dos formas alotrópicas del carbono. La primera, el grafito, ya presente en el polvo de TiC como posible producto de la síntesis; la segunda, el C8, también conocido como supercubano, una extraña forma alotrópica del carbono.
Dinámica de gases diluidos
(2024-07) Caro Ruiz, Javier; García de Soria Lucena, María Isabel; Maynar Blanco, Pablo; Universidad de Sevilla. Departamento de Física Atómica, Molecular y Nuclear
Todo juego consta de dos factores fundamentales: dos o más elementos bien definidos y una serie de reglas que rigen su comportamiento y cómo se relacionan. Por ejemplo, en Policías y ladrones existen dos tipos de elementos bien diferenciados, los policías y los ladrones, y una serie de reglas que los relacionan, como que los policías deben atrapar a todos los ladrones para ganar el juego, que los ladrones pueden ayudar a sus compañeros a salir del calabozo, etc. La Física trata de dar una explicación a nivel fundamental de todo lo que nos rodea con un esquema idéntico al de Policías y ladrones: una serie de elementos y un conjunto de reglas que los relacionan. La necesidad de estos elementos bien definidos que conforman nuestra realidad es la que, tras siglos de confrontación de ideas, llega al concepto de átomo (y, más tarde, a las partículas fundamentales), mientras que las leyes de la Física toman el papel de las reglas. Suponiendo que llegáramos a coleccionar el conjunto completo de reglas, lo más razonable sería pensar que, efectivamente, somos capaces de comprender todo lo que nos rodea. A esta corriente de pensamiento se la denomina Determinismo, y era aceptada por la gran mayoría de científicos contemporáneos con la figura central de este trabajo: Ludwig Boltzmann. Sin embargo, aunque lógica, esta idea presenta una dificultad práctica fundamental. Las ecuaciones de Newton describen adecuadamente el movimiento de dos cuerpos. Cuando añadimos un tercero, sin embargo, obtener una solución analítica de las ecuaciones de movimiento se vuelve casi imposible. Si tratamos un gas con decenas de ´ordenes de magnitud de cuerpos, las ecuaciones son, sencillamente, irresolubles analíticamente. Es justamente este el problema que presentan los gases (entre otros sistemas físicos) en la descripción determinista. Se puede describir la dinámica de un gas con las ecuaciones de Newton, pero la gran cantidad de ecuaciones diferenciales que se deben resolver se traduce en una inviabilidad práctica. En este contexto es en el que se desarrolla la Termodinámica, que, en lugar de considerar un sistema como un conjunto de moléculas, crea un formalismo matemático en el que se incluyen cantidades del sistema como la energía libre, la entropía, la temperatura, etc. y se determina cómo deben actuar en el equilibrio. Boltzmann, por otro lado, decide partir del sistema como un conjunto muy numeroso de partículas, pero con la gran idea de aplicar una maquinaria estadística en la que condensa todas las ecuaciones de Newton de las partículas en una sola ecuación integrodiferencial, como veremos en este trabajo. Su estudio, sin embargo fue completamente rechazado por sus contemporáneos, que no terminaron de comprender cómo la descripción estadística no rompía con el determinismo. Aún así, Boltzmann defendió sus ideas hasta el día de su muerte y, algunos años más tarde, uno de sus mayores detractores, Max Planck, utilizaría su trabajo para comenzar a desarrollar lo que más tarde sería la Mecánica Cuántica. En este trabajo deduciremos la ecuación de Boltzmann que describe la evolución temporal de la función de distribución, así como su conocido teorema H, que demuestra de forma rigurosa que cierta funcional siempre crece y que podemos identificarla con la entropía. Además, tras desarrollar un programa que permite simular un gas de esferas duras, probaremos diferentes configuraciones iniciales y analizaremos cómo se ajustan a los resultados de Boltzmann.
Inteligencia Artificial usada en los pronósticos meteorológicos
(2024-05) Alamino Maya, Daniel Jesus; Gómez García, Diego; Universidad de Sevilla. Departamento de Física de la Materia Condensada
En este trabajo veremos que la inteligencia artificial puede llegar a ayudarnos en campos de la ciencia tan complejos como la meteorología. Mediante un exhaustivo y delicado análisis, utilizando conocimientos estadísticos avanzados, elegiremos las variables que analizaremos en nuestro problema y veremos la relación que tienen entre ellas. Crearemos diferentes modelos de clasificación que nos permitirán determinar el tiempo en Sevilla. Veremos una serie de gráficos que nos servirán para validar nuestros análisis y comprenderemos cómo funcionan los modelos empleados para la realización de este trabajo.
Modelos funcionales de convertidores analógico-digitales de tipo rampa para lectura de arrays matriciales
(2024-05) Pliego Padilla, Mario; Río Fernández, Rocío del; Guerra Vinuesa, Oscar; Universidad de Sevilla. Departamento de Electrónica y Electromagnetismo
Circuitos para la captación de energía del cuerpo humano en aplicaciones portables
(2024-07) Tejada Campos, Sergio; Ginés Arteaga, Antonio José; Universidad de Sevilla. Departamento de Electrónica y Electromagnetismo
Diseño de un sensor de imagen con compresión logarítmica y diodos operando en régimen fotovoltaico
(2023-07-05) Rodríguez Sánchez, Juan Manuel; Leñero Bardallo, Juan Antonio; Fernández Peramo, Pablo; Universidad de Sevilla. Departamento de Electrónica y Electromagnetismo
Desde la invención del primer sensor de imagen, el objetivo cardinal de la electrónica ha sido simular el comportamiento del ojo humano. Las retinas biológicas poseen ventajas destacables, como la eliminación de información redundante al cuantificar únicamente los cambios de contraste en lugar del brillo absoluto. Además, su habilidad para proporcionar un alto rango dinámico les permite percibir información en condiciones tanto de alta como de baja luminosidad. No obstante, el rango dinámico ha resultado ser un atributo desafiante para implementar electrónicamente, puesto que el ojo humano es capaz de procesar instantáneamente hasta cinco órdenes de magnitud, y hasta ocho órdenes si se permite un tiempo de adaptación a la retina...
Problemas avanzados en electrodinámica: movimiento de partículas
(2023-05-26) Rodríguez Galán, Andrés; Pérez Izquierdo, Alberto Tomás; Ramos Reyes, Antonio; Universidad de Sevilla. Departamento de Electrónica y Electromagnetismo
Desde la electrónica hasta la producción de rayos X o las auroras boreales, las fuerzas electromagnéticas y los movimientos de partículas cargadas son los responsables de muchos fenómenos a los que estamos acostumbrados hoy en día. En este trabajo vamos a hacer un estudio sobre el movimiento de partículas cargadas en diversos sistemas electromagnéticos, centrándonos principalmente en las trayectorias que describen estos movimientos.
Diseño de un sensor de imagen asíncrono de alto rango dinámico
(2023-10-16) Rodríguez Banda, Jorge; Leñero Bardallo, Juan Antonio; Fernández Peramo, Pablo; Universidad de Sevilla. Departamento de Electrónica y Electromagnetismo
En el presente Trabajo de Fin de Grado hemos llevado a cabo el diseño y validación de un pixel tipo Pulse Width Modulation de muy bajo consumo, alto rango dinámico y lectura asíncrona a través del protocolo de comunicación AER. Para ello se ha llevado a cabo el análisis de una arquitectura novedosa con la que se pretende reducir el Fix Pattern Noise, elevado en los pixeles tipo PWM. Una vez conocidas sus características y tras el estudio del funcionamiento del protocolo AER, se ha diseñado un bloque lógico que permite la lectura asíncrona de los pixeles y que incorpora intrínsecamente el bloqueo de los mismos una vez realizada la lectura. Ello dota a los pixeles de una velocidad de operación muy alta. Hemos obtenido resultados prometedores en cuanto al consumo de energía, 0,3 μW por pixel, y al rango dinámico, 74 dB. La respuesta frente al ruido es satisfactoria pero mejorable, necesitando la implementación real de nuestro diseño, una revisión del sistema de control de corriente para mejorar el FPN del 3,16 %. Este trabajo constituye un inicio prometedor en el diseño de sensores asíncronos de muy bajo consumo, con aplicaciones en dispositivos biomédicos o redes de sensores inalámbricos, entre otras.
Verificación del código PenG4 para transporte de electrones con dose-point kernels
(2023-07-06) Roche Fernández, Andrea; Cortés Giraldo, Miguel Antonio; Universidad de Sevilla. Departamento de Física Atómica, Molecular y Nuclear
En este trabajo se presenta una verificación del código Monte Carlo PENG4 para transporte de electrones por debajo de 1 MeV. Por un lado, la precisión de este método es de gran utilidad en investigación clínica, permitiendo estudiar técnicas novedosas de tratamientos y ajustar modelos analíticos de los sistemas de planificación. Por otro lado, el estudio de electrones resulta de especial interés, ya que siempre están involucrados en los tratamientos de radioterapia, sea directamente o como radiación secundaria. Además, los electrones secundarios producidos suelen encontrarse generalmente por debajo de 1 MeV. Con estos propósitos, se han simulado haces de electrones monoenergéticos a través de un medio material con simetría esférica, utilizando dos códigos distintos, GEANT4 y PENG4. Como método de comparación y análisis se ha empleado la estimación de Dose Point Kernels (DPK). En primer lugar, se han estudiado distintas listas de física de GEANT4, emstandard_opt4, emlivermore y empenelope, obteniendo discrepancias relativas inferiores al 5% y concluyendo que la más precisa en general se corresponde con emstandard_opt4. No obstante, la más adecuada siempre dependerá de las características del experimento considerado, como el material y la energía inicial de los electrones. En segundo lugar, se han optimizado los parámetros caracterísiticos de PENG4, analizando visualmente la influencia de cada uno de ellos sobre las simulaciones y concluyendo que los valores óptimos se corresponden con C1 = C2 = 0.01 y WCR = WCC = EABS = 102 eV. Por último, se han comparado ambos códigos entre sí, obteniendo diferencias relativas por debajo del 5% en casi todos los casos, que demuestran la versatilidad y robustez de PENG4.

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