Far-infrared optical properties of the heavy fermion superconductor UB[E13]

Temperature dependent resistivity, p, magnetic susceptibility, X, and far-infrared reflectance measurements were made on the low Tc superconductor UBe13. Two variants of UBe13 have been proposed, named 'L'- (for low Tc ) and 'H'-type (for high Tc ). Low temperature resistivity measurements confirmed that our sample was of H-type and that the transition temperature was at 0.9 K. This was further confirmed with the observation of this transition in the AC-susceptibility. Low temperature reflectance measurements showed a decrease in the reflectivity as the temperature is lowered from 300 to 10 K, which is in qualitative agreement with the increasing resistivity in this temperature range as temperature is lowered. No dramatic change in the reflectivity was observed between 10 and 0.75 K. A further decrease of the reflectance was observed for the temperature of 0.5 K. The calculated optical conductivity shows a broad minimum near 80 cm-1 below 45 K. Above 45 K the conductivity is relatively featureless. As the temperature is lowered, the optical conductivity decreases. The frequency dependent scattering rate was found to be flat for temperatures between 300 and 45 K. The development of a peak, at around 70 cm-1 was found for temperatures of 45 K and below. This peak has been associated with the energy at which the transition to a coherent state occurs from single impurity scattering in other heavy fermion systems. The frequency dependent mass enhancement coefficient was found to increase at low frequencies as the frequency decreases. Its' magnitude as frequency approaches zero also increased as the temperature decreased.

Far infrared spectroscopy of heavy fermion superconductor CeCoIn5

The optical response to far infrared radiation has been measured on a mosaic of heavy fermion CeColnssingle crystals. The superconducting transition temperature of the crystals has been determined by van der Pauw resistivity and ac-susceptibility measurements as Tc = 2.3 K. The optical measurements were taken above and below the transition temperature using a 3He cryostat and step and integrate Martin-Puplett type polarizing interferometer. The absolute reflectance of the heavy fermion CeColns in the superconducting state in range (0, 100)cm-1 was calculated from the measured thermal reflectance, using the normal state data of Singley et al and a low frequency extrapolation for a metallic material in the Hagen-Rubens regime. By means of Kramers-Kronig analysis the absolute reflectance was used to calculate the optical conductivity of the sample. The real part of the calculated complex conductivity 0-(w) ofCeColns indicates a possible opening of an energy gap close to 50 em-I.

Set-up and evaluation of a mid-infrared reflectometer and investigation of the optical properties of doped tin telluride

A system comprised of a Bomem interferometer and a LT3-110 Heli-Tran cryostat was set up to measure the reflectance of materials in the mid-infrared spectral region. Several tests were conducted to ensure the consistency and reliability of the system. Silicon and Chromium, two materials with well known optical properties were measured to test the accuracy of the system, and the results were found to be in good agreement with the literature. Reflectance measurements on pure SnTe and several Pb and Mn-doped alloys were carried out. These materials were chosen because they exhibit a strong plasma edge in the mid infrared region. The optical conductivity and several related optical parameters were calculated from the measured reflectance. Very low temperature measurements were carried out in the far-infrared on Sn9SMn2Te, and the results are indicative of a spin glass phase at 0.8 K. Resistivity measurements were made at room temperature. The resistivity values were found, as expected, to decrease with increasing carrier concentration and to increase with increasing manganese concentration.

Transmission measurements using a new far-infrared set-up

A system comprised of a Martin-Puplett type polarizing interferometer and a Helium-3 cryostat was developed to study the transmission of materials in the very-far-infrared region of the spectrum. This region is of significant interest due to the low-energy excitations which many materials exhibit. The experimental transmission spectrum contains information concerning the optical properties of the material. The set-up of this system is described in detail along with the adaptations and improvements which have been made to the system to ensure the best results. Transmission experiments carried out with this new set-up for two different varieties of materials: superconducting thin films of lead and biological proteins, are discussed. Several thin films of lead deposited on fused silica quartz substrates were studied. From the ratio of the transmission in the superconducting state to that in the normal state the superconducting energy gap was determined to be approximately 25 cm-1 which corresponds to 2~/kBTc rv 5 in agreement with literature data. Furthermore, in agreement with theoretical predictions, the maximum in the transmission ratio was observed to increase as the film thickness was increased. These results provide verification of the system's ability to accurately measure the optical properties of thin low-Tc superconducting films. Transmission measurements were carried out on double deionized water, and a variety of different concentrations by weight of the globular protein, Bovine Serum Albumin, in the sol, gel and crystalline forms. The results of the water study agree well with literature values and thus further illustrate the reproducibility of the system. The results of the protein experiments, although preliminary, indicate that as the concentration increases the samples become more transparent. Some weak structure in the frequency dependent absorption coefficient, which is more prominent in crystalline samples, may be due to low frequency vibrations of the protein molecules.

Far infrared spectroscopy of heavy fermion superconductor CeCoIn5 /

The optical response to far infrared radiation has been measured on a mosaic of heavy fermion CeCoIns single crystals. The superconducting transition temperature of the crystals has been determined by van der Pauw resistivity and ac-susceptibility measurements as Tc = 2.3 K. The optical measurements were taken above and below the transition temperature using a ^He cryostat and step and integrate Martin-Puplett type polarizing interferometer. The absolute reflectance of the heavy fermion CeCoIns in the superconducting state in range (0, 100)cm~^ was calculated from the measured thermal reflectance, using the normal state data of Singley et al and a low frequency extrapolation for a metallic material in the Hagen-Rubens regime. By means of Kramers-Kronig analysis the absolute reflectance was used to calculate the optical conductivity of the sample. The real part of the calculated complex conductivity a{u)) of CeCoIns indicates a possible opening of an energy gap close to 50 cm~^.

Infrared Spectroscopy of Gadolinium

Measurements of the optical reflectivity of the normal incident light along c-axis [0001] have been made on a Gadolinium single crystal, for temperatures between 50 K and room temperature just above the Curie temperature of Gd, which is 293 K. And covering the spectrum range between 100 -11000 cm-I . This work is the first study of Gd in the far infrared range. In fact it fills the gap below 0.2 eV which has never been measured before. Extreme attention was paid to the fact that Gadolinium is a very reactive metal with air. Thus, the sample was mechanically polished and carefully handled during the measurement. However, temperature dependent optical measurements have been made in the same frequency range for a sample of Gd2O3. For comparison, both samples of Gd and Gd2O3 were examined by X-Ray diffraction. XRD analysis showed that the sample was pure gadolinium and the oxide layer either does not exist, or is very thin. Furthermore, this fact was supported by the absence of any of Gd2O3 features in the Gd sample reflectivity. Kramers Kronig analysis was applied to extract the optical functions from the reflectance data. The optical conductivity shows a strong temperature dependence feature in the mid-infrared. This feature disappears completely at room temperature which supports a magnetic origin.

Peer-Led Team Learning as an Instructional Strategy for Secondary School Science

This study investigated the impact of an instructional learning strategy, peer-led team learning (PLTL), on secondary school students' conceptual understanding of biology concepts related to the topic of evolution. Using a mixed methods approach, data were gathered quantitatively through pre/posttesting using a repeated measures design and qualitatively through observations, questionnaires, and interviews. A repeated measures design was implemented to explore the impact of PLTL on students' understanding of concepts related to evolution and students' attitudes towards PLTL implementation. Results from quantitative data comparing pre/posttesting were not able to be compared through inferential statistics as a result of inconsistencies in the data due to a small sample size and design limitations; however, qualitative data identified positive attitudes towards the implementation of PLTL, with students reporting gains in conceptual understanding, academic achievement, and interdependent work ethic. Implications of these findings for learning, teaching, and the educational literature include understanding of student attitudes towards PLTL and insight into the role PLTL plays in improving conceptual understanding of biology concepts. Strategies are suggested to continue further research in the area of PLTL.

Infrared thermography: A non-invasive window into thermal physiology

Infrared thermography is a non-invasive technique that measures mid to long-wave infrared radiation emanating from all objects and converts this to temperature. As an imaging technique, the value of modern infrared thermography is its ability to produce a digitized image or high speed video rendering a thermal map of the scene in false colour. Since temperature is an important environmental parameter influencing animal physiology and metabolic heat production an energetically expensive process, measuring temperature and energy exchange in animals is critical to understanding physiology, especially under field conditions. As a non-contact approach, infrared thermography provides a non-invasive complement to physiological data gathering. One caveat, however, is that only surface temperatures are measured, which guides much research to those thermal events occurring at the skin and insulating regions of the body. As an imaging technique, infrared thermal imaging is also subject to certain uncertainties that require physical modeling, which is typically done via built-in software approaches. Infrared thermal imaging has enabled different insights into the comparative physiology of phenomena ranging from thermogenesis, peripheral blood flow adjustments, evaporative cooling, and to respiratory physiology. In this review, I provide background and guidelines for the use of thermal imaging, primarily aimed at field physiologists and biologists interested in thermal biology. I also discuss some of the better known approaches and discoveries revealed from using thermal imaging with the objective of encouraging more quantitative assessment.

Montage et caractérisation d’un système de spectroscopie Raman accordable en longueur d’onde utilisant des réseaux de Bragg comme filtre : application aux nanotubes de carbone

La spectroscopie Raman est un outil non destructif fort utile lors de la caractérisation de matériau. Cette technique consiste essentiellement à faire l’analyse de la diffusion inélastique de lumière par un matériau. Les performances d’un système de spectroscopie Raman proviennent en majeure partie de deux filtres ; l’un pour purifier la raie incidente (habituellement un laser) et l’autre pour atténuer la raie élastique du faisceau de signal. En spectroscopie Raman résonante (SRR), l’énergie (la longueur d’onde) d’excitation est accordée de façon à être voisine d’une transition électronique permise dans le matériau à l’étude. La section efficace d’un processus Raman peut alors être augmentée d’un facteur allant jusqu’à 106. La technologie actuelle est limitée au niveau des filtres accordables en longueur d’onde. La SRR est donc une technique complexe et pour l’instant fastidieuse à mettre en œuvre. Ce mémoire présente la conception et la construction d’un système de spectroscopie Raman accordable en longueur d’onde basé sur des filtres à réseaux de Bragg en volume. Ce système vise une utilisation dans le proche infrarouge afin d’étudier les résonances de nanotubes de carbone. Les étapes menant à la mise en fonction du système sont décrites. Elles couvrent les aspects de conceptualisation, de fabrication, de caractérisation ainsi que de l’optimisation du système. Ce projet fut réalisé en étroite collaboration avec une petite entreprise d’ici, Photon etc. De cette coopération sont nés les filtres accordables permettant avec facilité de changer la longueur d’onde d’excitation. Ces filtres ont été combinés à un laser titane : saphir accordable de 700 à 1100 nm, à un microscope «maison» ainsi qu’à un système de détection utilisant une caméra CCD et un spectromètre à réseau. Sont d’abord présentés les aspects théoriques entourant la SRR. Par la suite, les nanotubes de carbone (NTC) sont décrits et utilisés pour montrer la pertinence d’une telle technique. Ensuite, le principe de fonctionnement des filtres est décrit pour être suivi de l’article où sont parus les principaux résultats de ce travail. On y trouvera entre autres la caractérisation optique des filtres. Les limites de basses fréquences du système sont démontrées en effectuant des mesures sur un échantillon de soufre dont la raie à 27 cm-1 est clairement résolue. La simplicité d’accordabilité est quant à elle démontrée par l’utilisation d’un échantillon de NTC en poudre. En variant la longueur d’onde (l’énergie d’excitation), différentes chiralités sont observées et par le fait même, différentes raies sont présentes dans les spectres. Finalement, des précisions sur l’alignement, l’optimisation et l’opération du système sont décrites. La faible acceptance angulaire est l’inconvénient majeur de l’utilisation de ce type de filtre. Elle se répercute en problème d’atténuation ce qui est critique plus particulièrement pour le filtre coupe-bande. Des améliorations possibles face à cette limitation sont étudiées.

Détection de nouvelles candidates au rang de naines brunes de types spectraux plus tardifs que T5 avec le Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE)

Les naines brunes sont, en termes de masse, les objets astrophysiques intermédiaires entre les planètes géantes gazeuses et les étoiles de faible masse. Elles se forment de la même manière que les étoiles, par contraction gravitationnelle d’un fragment de nuage de gaz moléculaire ayant atteint la limite de Jeans, mais se différencient par leur incapa- cité à produire les réactions de fusion de l’hydrogène dans leur cœur. Les naines brunes sont par conséquent des objets qui se refroidissent graduellement, et dont les propriétés spectrales évoluent au cours du temps. Ce mémoire présente la recherche de nouvelles candidates de type spectral T tardif et Y, dans le but de compléter le relevé des naines brunes du voisinage solaire. Cette recherche est motivée par deux objectifs principaux. Premièrement, un échantillon com- plet des objets de faible masse est nécessaire pour contraindre correctement la limite aux faibles masses de la fonction de masse initiale des nuages interstellaires, problème clé en astrophysique actuellement. Deuxièmement, les naines brunes de types spectraux tardifs sont les objets stellaires dont les propriétés atmosphériques sont les plus semblables à celles des planètes géantes gazeuses. Par conséquent, la recherche de nouvelles naines brunes permet indirectement d’améliorer nos connaissances des exoplanètes, sans être contraints par la proximité d’étoiles brillantes. À partir du WISE All-Sky Source Catalog, nous avons établi un échantillon de 55 candidates naines brunes répondant aux critères photométriques attendus. Parmi ces can- didates, 17 ont fait l’objet d’un suivi photométrique en bande J à l’Observatoire du Mont-Mégantic, et 9 ont pu être détectées. De ces 9 détections, 4 objets présentent des mouvements propres cohérents avec ceux de naines brunes.

La recherche de naines brunes et étoiles de faible masse dans les associations cinématiques jeunes du voisinage solaire

L’objectif principal de cette thèse est d’identifier les étoiles de faible masse et naines brunes membres d’associations cinématiques jeunes du voisinage solaire. Ces associations sont typiquement âgées de moins de 200 millions d’années et regroupent chacune un ensemble d’étoiles s’étant formées au même moment et dans un même environnement. La majorité de leurs membres d'environ plus de 0.3 fois la masse du Soleil sont déjà connus, cependant les membres moins massifs (et moins brillants) nous échappent encore. Leur identification permettra de lever le voile sur plusieurs questions fondamentales en astrophysique. En particulier, le fait de cibler des objets jeunes, encore chauds et lumineux par leur formation récente, permettra d’atteindre un régime de masses encore peu exploré, jusqu'à seulement quelques fois la masse de Jupiter. Elles nous permettront entre autres de contraindre la fonction de masse initiale et d'explorer la connection entre naines brunes et exoplanètes, étant donné que les moins massives des naines brunes jeunes auront des propriétés physiques très semblables aux exoplanètes géantes gazeuses. Pour mener à bien ce projet, nous avons adapté l'outil statistique BANYAN I pour qu'il soit applicable aux objets de très faibles masses en plus de lui apporter plusieurs améliorations. Nous avons entre autres inclus l'utilisation de deux diagrammes couleur-magnitude permettant de différencier les étoiles de faible masse et naines brunes jeunes à celles plus vieilles, ajouté l'utilisation de probabilités a priori pour rendre les résultats plus réalistes, adapté les modèles spatiaux et cinématiques des associations jeunes en utilisant des ellipsoïdes gaussiennes tridimensionnelles dont l'alignement des axes est libre, effectué une analyse Monte Carlo pour caractériser le taux de faux-positifs et faux-négatifs, puis revu la structure du code informatique pour le rendre plus efficace. Dans un premier temps, nous avons utilisé ce nouvel algorithme, BANYAN II, pour identifier 25 nouvelles candidates membres d'associations jeunes parmi un échantillon de 158 étoiles de faible masse (de types spectraux > M4) et naines brunes jeunes déjà connues. Nous avons ensuite effectué la corrélation croisée de deux catalogues couvrant tout le ciel en lumière proche-infrarouge et contenant ~ 500 millions d’objets célestes pour identifier environ 100 000 candidates naines brunes et étoiles de faible masse du voisinage solaire. À l'aide de l'outil BANYAN II, nous avons alors identifié quelques centaines d'objets appartenant fort probablement à une association jeune parmi cet échantillon et effectué un suivi spectroscopique en lumière proche-infrarouge pour les caractériser. Les travaux présentés ici ont mené à l'identification de 79 candidates naines brunes jeunes ainsi que 150 candidates étoiles de faible masse jeunes, puis un suivi spectroscopique nous a permis de confirmer le jeune âge de 49 de ces naines brunes et 62 de ces étoiles de faible masse. Nous avons ainsi approximativement doublé le nombre de naines brunes jeunes connues, ce qui a ouvert la porte à une caractérisation statistique de leur population. Ces nouvelles naines brunes jeunes représentent un laboratoire idéal pour mieux comprendre l'atmosphère des exoplanètes géantes gazeuses. Nous avons identifié les premiers signes d’une remontée dans la fonction de masse initiale des naines brunes aux très faibles masses dans l'association jeune Tucana-Horologium, ce qui pourrait indiquer que l’éjection d’exoplanètes joue un rôle important dans la composition de leur population. Les résultats du suivi spectroscopique nous ont permis de construire une séquence empirique complète pour les types spectraux M5-L5 à l'âge du champ, à faible (β) et très faible (γ) gravité de surface. Nous avons effectué une comparaison de ces données aux modèles d'évolution et d'atmosphère, puis nous avons construit un ensemble de séquences empiriques de couleur-magnitude et types spectraux-magnitude pour les naines brunes jeunes. Finalement, nous avons découvert deux nouvelles exoplanètes par un suivi en imagerie directe des étoiles jeunes de faible masse identifiées dans ce projet. La future mission GAIA et le suivi spectroscopique complet des candidates présentées dans cette thèse permettront de confirmer leur appartenance aux associations jeunes et de contraindre la fonction de masse initiale dans le régime sous-stellaire.