Fairy circle landscapes under the sea

Short-scale interactions yield large-scale vegetation patterns that, in turn, shape ecosystem function across landscapes. Fairy circles, which are circular patches bare of vegetation within otherwise continuous landscapes, are characteristic features of semiarid grasslands. We report the occurrence of submarine fairy circle seascapes in seagrass meadows and propose a simple model that reproduces the diversity of seascapes observed in these ecosystems as emerging from plant interactions within the meadow. These seascapes include two extreme cases, a continuous meadow and a bare landscape, along with intermediate states that range from the occurrence of persistent but isolated fairy circles, or solitons, to seascapes with multiple fairy circles, banded vegetation, and "leopard skin" patterns consisting of bare seascapes patterns consisting of bare seascapes dotted with plant patches. The model predicts that these intermediate seascapes extending across kilometers emerge as a consequence of local demographic imbalances along with facilitative and competitive interactions among the plants with a characteristic spatial scale of 20 to 30 m, consistent with known drivers of seagrass performance. The model, which can be extended to clonal growth plants in other landscapes showing fairy rings, reveals that the different seascapes observed hold diagnostic power as to the proximity of seagrass meadows to extinction points that can be used to identify ecosystems at risks

A general model for vegetation patterns including rhizome growth

Vegetation patterns, a natural phenomenon observed worldwide, are typically driven by spatially distributed feedback. However, the spatial colonization mechanisms of clonal plants, driven by the growth of a rhizome, are usually not considered in prototypical models. Here we propose a general equation for the vegetation density that includes all main clonal-growth features as well as the essential ingredients leading to spatial self-organization. This generic model reproduces the phase diagram of a fully detailed model of clonal growth. The relation of each term of the model with the mechanisms of clonal growth is discussed

Optical properties of 2D Majorana nanowires

Master’s degree in Physics of Complex Systems at the Iniversitat de les Illes Balears, academin year 2013-2014.The main aim of the present work is to study the properties of the Majorana states in the context of condensed matter, and more specifically the optical properties of hybrid semi-super- conductor nanowires. First we explain the most important concepts referent to the Majorana states. We address the importance for particle physics, for quantum computation and stress the results with more impact in the field. In second place, we introduce the necessary methods to describe Majorana states in two-dimensional systems. We introduce the Bogoliubov-deGennes hamiltonian, we study its properties and the most important results necessary to compute the optical properties. The third and final chapter is the novel contribution of this work. We present first the used theoretical formalism, after that we study the results of the optical spectrum changing dfferent parameters, the dependence on magnetic field, the light polarization effects and the in uence of temperature. This work gives guides for the experimental detection of Majorana states in semiconductor nanowires with optical spectroscopy.Peer reviewe

Dynamics of posidonia oceanica meadows

[cat] Aquesta tesi conté l’estudi de la dinàmica de patrons de vegetació a les praderes de Posidonia oceanica. El primer capítol presenta diferents casos de formació de patrons de vegetació a diferents ecosistemes, les metodologies emprades per l’estudi d’aquests patrons i els treballs sobre Posidonia oceanica directament relacionats amb el creixement de les praderes. El segon capítoll, es basa en el coneixement previ sobre plantes clonals per desenvolupar un model continu que descriu l’evolució de la pradera. A continuació es mostra que el mecanisme necessari per a la formació de patrons de vegetació és la competició a llargues distàncies. A més el model és capaç de reproduir les característiques principals de les praderes a mesura que ens aproximem a la costa. La darrera part del capítol intenta clarificar el paper que té la dependència del model amb la direcció de creixement en la dinàmica espacial. Essencialment s’arriba a la conclusió que la densitat en diferents direccions tendeix a homogeneïtzar-se amb el temps, de tal manera que només als límits de la pradera hi ha més plantes creixent cap a l’exterior de la pradera que cap a l’interior. El tercer capítol presenta la derivació d’una equació simplificada sense dependència en la direcció de creixement a partir del model original reduint substancialment la dificultat del problema. Seguidament s’analitzen les aproximacions realitzades i la validesa de l’equació derivada. El quart capítol està dedicat a una anàlisi més detallat d’una equació intermèdia de la derivació del capítol previ que proporciona resultats quantitativament similars al model original. La darrera part es centra en l’estudi de la propagació de fronts de vegetació en la versió unidimensional del model. Finalment el darrer capítol pretén determinar si la presència de sulfur d’hidrogen en el sediment, resultat de la difusió de matèria orgànica més tard descomposta, és un mecanisme vàlid que explica la formació de patrons. Es conclou que aquest mecanisme és compatible amb la formació de patrons i a més preveu que la pradera homogènia és susceptible a desestabilitzar i desenvolupar oscil·lacions temporals les quals són l’origen de nous règims dinàmics encara per explorar.[spa] En esta tesis se desarrolla el estudio de la dinámica de los patrones de vegetación en las praderas de Posidonia oceanica. El primer capítulo presenta diferentes casos de formación de patrones de vegetación en diferentes ecosistemas, las metodologías utilizadas para el estudio de dichos patrones y de forma más concreta se presentan los trabajos sobre Posidonia oceanica relevantes para el crecimiento de la pradera. El segundo capítulo, se basa en el conocimiento previo sobre plantas clonales para desarrollar un modelo continuo que describe la evolución del crecimiento de la pradera. En este se muestra que el mecanismo necesario para la formación de patrones es la competición de largo alcance. Además, el modelo reproduce las características principales de las praderas a medida que nos acercamos a la costa. En la última parte del capítulo estudiamos la relevancia que tiene la dependencia con el ángulo de crecimiento para la dinámica espacial. Se concluye que la densidad de ápices creciendo en diferentes direcciones tiende a homogeneizarse con el tiempo, de tal forma que solo en los bordes de la pradera hay más plantas creciendo hacia fuera que hacia dentro de la misma. El tercer capítulo presenta la derivación de una ecuación sin dependencia angular a partir del modelo original reduciendo sustancialmente la dificultad del problema. Seguidamente se analizan las aproximaciones y la validez de las ecuaciones derivadas. En el capítulo cuatro se analiza con más detalle una ecuación intermedia de la derivación del capítulo anterior, la cual proporciona resultados cuantitativamente similares al modelo original. La última parte del capítulo se centra en el estudio de frentes de vegetación en la versión unidimensional del modelo. Finalmente, en el último capítulo se intenta determinar si la presencia de sulfuro de hidrógeno en el sedimento, resultado de la difusión de materia orgánica más tarde descompuesta, es un mecanismo válido para explicar la formación de patrones. Concluimos que este mecanismo puede generar patrones de vegetación pero además el modelo predice que la vegetación homogénea es susceptible a desarrollar oscilaciones temporales, dando lugar a nuevos regímenes dinámicos que explorar.[eng] In this thesis we study the dynamics of vegetation patterns in Posidonia oceanica meadows. The first introductory chapter presents a review of vegetation patterns in different ecosystems, the methodologies used in the literature to study each case, and the previous works of Posidonia oceanica with implications in the description of the meadows growth. In the second chapter of the thesis, based on previous knowledge of clonal-growth plants, we develop a coarse grained model that describes the evolution of the meadows. We show that long-range competition is the mechanism responsible for the formation of patterns and we are able to infer the interaction distance. The model allows to reproduce the spatial features of vegetation approaching to the coast, where mortality increases. Additionally we study the relevance of the dependence on the angle of the model in the spatiotemporal dynamics. We conclude that the density of apices in different directions of growth homogenizes with time, only being enhanced those particular directions growing at the front facing outwards the meadow. The third chapter presents a systematic derivation of a simplified equation from the original model, reducing substantially the difficulty of the problem. We discuss the different approximations made and the validity of the equations derived. The fourth chapter focuses on an intermediate equation obtained from the derivation, that provides quantitative agreement with the original model. We study in detail its bifurcation diagram characterizing different patterns and localized structures. In the last part of this chapter we study the dynamics of vegetation fronts in the simplest one dimensional case. The last chapter tries to determine if the presence of hydrogen sulfide in the sediment, result of the spreading of organic matter due to water movement that later decomposes, is a valid long-range competition mechanism able to explain the formation of patterns. We conclude that patterns form as a result of this interaction. Furthermore, the model predicts an oscillatory instability of the homogeneous solution which creates very rich phase diagram with different dynamical behaviors still to explore

Dynamics of posidonia oceanica meadows

[cat] Aquesta tesi conté l’estudi de la dinàmica de patrons de vegetació a les praderes de Posidonia oceanica. El primer capítol presenta diferents casos de formació de patrons de vegetació a diferents ecosistemes, les metodologies emprades per l’estudi d’aquests patrons i els treballs sobre Posidonia oceanica directament relacionats amb el creixement de les praderes. El segon capítoll, es basa en el coneixement previ sobre plantes clonals per desenvolupar un model continu que descriu l’evolució de la pradera. A continuació es mostra que el mecanisme necessari per a la formació de patrons de vegetació és la competició a llargues distàncies. A més el model és capaç de reproduir les característiques principals de les praderes a mesura que ens aproximem a la costa. La darrera part del capítol intenta clarificar el paper que té la dependència del model amb la direcció de creixement en la dinàmica espacial. Essencialment s’arriba a la conclusió que la densitat en diferents direccions tendeix a homogeneïtzar-se amb el temps, de tal manera que només als límits de la pradera hi ha més plantes creixent cap a l’exterior de la pradera que cap a l’interior. El tercer capítol presenta la derivació d’una equació simplificada sense dependència en la direcció de creixement a partir del model original reduint substancialment la dificultat del problema. Seguidament s’analitzen les aproximacions realitzades i la validesa de l’equació derivada. El quart capítol està dedicat a una anàlisi més detallat d’una equació intermèdia de la derivació del capítol previ que proporciona resultats quantitativament similars al model original. La darrera part es centra en l’estudi de la propagació de fronts de vegetació en la versió unidimensional del model. Finalment el darrer capítol pretén determinar si la presència de sulfur d’hidrogen en el sediment, resultat de la difusió de matèria orgànica més tard descomposta, és un mecanisme vàlid que explica la formació de patrons. Es conclou que aquest mecanisme és compatible amb la formació de patrons i a més preveu que la pradera homogènia és susceptible a desestabilitzar i desenvolupar oscil•lacions temporals les quals són l’origen de nous règims dinàmics encara per explorar.[spa] En esta tesis se desarrolla el estudio de la dinámica de los patrones de vegetación en las praderas de Posidonia oceanica. El primer capítulo presenta diferentes casos de formación de patrones de vegetación en diferentes ecosistemas, las metodologías utilizadas para el estudio de dichos patrones y de forma más concreta se presentan los trabajos sobre Posidonia oceanica relevantes para el crecimiento de la pradera. El segundo capítulo, se basa en el conocimiento previo sobre plantas clonales para desarrollar un modelo continuo que describe la evolución del crecimiento de la pradera. En este se muestra que el mecanismo necesario para la formación de patrones es la competición de largo alcance. Además, el modelo reproduce las características principales de las praderas a medida que nos acercamos a la costa. En la última parte del capítulo estudiamos la relevancia que tiene la dependencia con el ángulo de crecimiento para la dinámica espacial. Se concluye que la densidad de ápices creciendo en diferentes direcciones tiende a homogeneizarse con el tiempo, de tal forma que solo en los bordes de la pradera hay más plantas creciendo hacia fuera que hacia dentro de la misma. El tercer capítulo presenta la derivación de una ecuación sin dependencia angular a partir del modelo original reduciendo sustancialmente la dificultad del problema. Seguidamente se analizan las aproximaciones y la validez de las ecuaciones derivadas. En el capítulo cuatro se analiza con más detalle una ecuación intermedia de la derivación del capítulo anterior, la cual proporciona resultados cuantitativamente similares al modelo original. La última parte del capítulo se centra en el estudio de frentes de vegetación en la versión unidimensional del modelo. Finalmente, en el último capítulo se intenta determinar si la presencia de sulfuro de hidrógeno en el sedimento, resultado de la difusión de materia orgánica más tarde descompuesta, es un mecanismo válido para explicar la formación de patrones. Concluimos que este mecanismo puede generar patrones de vegetación pero además el modelo predice que la vegetación homogénea es susceptible a desarrollar oscilaciones temporales, dando lugar a nuevos regímenes dinámicos que explorar.[eng] In this thesis we study the dynamics of vegetation patterns in Posidonia oceanica meadows. The first introductory chapter presents a review of vegetation patterns in different ecosystems, the methodologies used in the literature to study each case, and the previous works of Posidonia oceanica with implications in the description of the meadows growth. In the second chapter of the thesis, based on previous knowledge of clonal-growth plants, we develop a coarse grained model that describes the evolution of the meadows. We show that long-range competition is the mechanism responsible for the formation of patterns and we are able to infer the interaction distance. The model allows to reproduce the spatial features of vegetation approaching to the coast, where mortality increases. Additionally we study the relevance of the dependence on the angle of the model in the spatiotemporal dynamics. We conclude that the density of apices in different directions of growth homogenizes with time, only being enhanced those particular directions growing at the front facing outwards the meadow. The third chapter presents a systematic derivation of a simplified equation from the original model, reducing substantially the difficulty of the problem. We discuss the different approximations made and the validity of the equations derived. The fourth chapter focuses on an intermediate equation obtained from the derivation, that provides quantitative agreement with the original model. We study in detail its bifurcation diagram characterizing different patterns and localized structures. In the last part of this chapter we study the dynamics of vegetation fronts in the simplest one dimensional case. The last chapter tries to determine if the presence of hydrogen sulfide in the sediment, result of the spreading of organic matter due to water movement that later decomposes, is a valid long-range competition mechanism able to explain the formation of patterns. We conclude that patterns form as a result of this interaction. Furthermore, the model predicts an oscillatory instability of the homogeneous solution which creates very rich phase diagram with different dynamical behaviors still to explore

Estudio numérico de la fusión de un sistema binario de agujeros negros

Abstract not availabl

Distribution of growth directions in meadows of clonal plants

Clonal growth plants are abundant in both terrestrial and marine ecosystems. Some marine species are particularly important since they provide essential ecosystem services in the shores of all continents except Antarctica. For the appropriate modelization of clonal growth the discretization of the growth direction angle has to be carefully treated to correctly describe the dynamics of the meadow. Specifically, determining the minimum number of growth directions is important to maximize the efficiency of numerical simulations. We show that the presence of neutral modes in the growth direction angle tends to make the distribution of the growth directions uniform in the presence of noise, allowing us to choose the minimal number of discrete angles compatible with the branching. We also show that the formation of spatial patterns induces small differences in the population density within these different growth directions.We acknowledge financial support from Agencia Estatal de Investigación (AEI, Spain) and Fondo Europeo de Desarrollo Regional under Project SuMaEco Grant No. RTI2018-095441-B-C22 (AEI/FEDER,UE) and the Spanish State Research Agency, through the Maria de Maeztu Program for units of Excellence in R&D (MDM-2017-0711). D.R-R. also acknowledges the fellowship BES-2016-076264 under the FPI program of MINECO, Spain

Electromagnetic absorption of semiconductor 2D Majorana nanowires

© 2015 IOP Publishing Ltd. We calculate the cross section for the electromagnetic absorption of planar 2D Majorana nanowires. The electromagnetic field is described in the dipole approximation. We discuss the signatures on the cross section of a near-zero-energy mode. A low energy peak for transverse polarization, absent in the longitudinal one, reveals the presence of the Majorana-like state. This peak is relatively robust against the thermal smearing of the level occupations. We consider the influence of optical masks hiding parts of the nanowire from the radiation.This work was funded by MINECO-Spain (grant FIS2011-23526), CAIB-Spain (Conselleria d'Educació, Cultura i Universitats) and FEDER.Peer Reviewe

Bifurcation structure of traveling pulses in Type-I excitable media

We have studied the existence of traveling pulses in a general Type-I excitable 1-dimensional medium. We have obtained the stability region and characterized the different bifurcations behind either the destruction or loss of stability of the pulses. In particular, some of the bifurcations delimiting the stability region have been connected, using singular limits, with the two different scenarios that mediated the Type-I local excitability, i.e. homoclinic (saddle-loop) and Saddle-Node on the Invariant Circle bifurcations. The existence of the traveling pulses has been linked, outside the stability region, to a drift pitchfork instability of localized steady structures.N

Bifurcation structure of traveling pulses in Type-I excitable media

We have studied the existence of traveling pulses in a general Type-I excitable 1-dimensional medium. We have obtained the stability region and characterized the different bifurcations behind either the destruction or loss of stability of the pulses. In particular, some of the bifurcations delimiting the stability region have been connected, using singular limits, with the two different scenarios that mediated the Type-I local excitability, i.e. homoclinic (saddle-loop) and Saddle-Node on the Invariant Circle bifurcations. The existence of the traveling pulses has been linked, outside the stability region, to a drift pitchfork instability of localized steady structures.Comment: 17 pages, 12 figure