Lattice-gas model of particles with orientational and positional degrees of freedom: Mean-field treatment

We consider a lattice-gas model of particles with internal orientational degrees of freedom. In addition to antiferromagnetic nearest-neighbor (NN) and next-nearest-neighbor (NNN) positional interactions we also consider NN and NNN interactions arising from the internal state of the particles. The system then shows positional and orientational ordering modes with associated phase transitions at Tp and To temperatures at which long-range positional and orientational ordering are, respectively, lost. We use mean-field techniques to obtain a general approach to the study of these systems. By considering particular forms of the orientational interaction function we study coupling effects between both phase transitions arising from the interplay between orientational and positional degrees of freedom. In mean-field approximation coupling effects appear only for the phase transition taking place at lower temperatures. The strength of the coupling depends on the value of the long-range order parameter that remains finite at that temperature.

Theoretical investigations of the bulk modulus in the tetra-cubic transition of PbTiO3 material

Resulting from ion displacement in a solid under pressure, piezoelectricity is an electrical polarization that can be observed in perovskite-type electronic ceramics, such as PbTiO3, which present cubic and tetragonal symmetries at different pressures. The transition between these crystalline phases is determined theoretically through the bulk modulus from the relationship between material energy and volume. However, the change in the material molecular structure is responsible for the piezoelectric effect. In this study, density functional theory calculations using the Becke 3-Parameter-Lee-Yang-Parr hybrid functional were employed to investigate the structure and properties associated with the transition state of the tetragonal-cubic phase change in PbTiO3 material.

Structure et dynamique des communautés multi-espèces : le rôle de l’espace

Cette thèse porte sur le rôle de l’espace dans l’organisation et dans la dynamique des communautés écologiques multi-espèces. Deux carences peuvent être identifiées dans les études théoriques actuelles portant sur la dimension spatiale des communautés écologiques : l’insuffisance de modèles multi-espèces représentant la dimension spatiale explicitement, et le manque d’attention portée aux interactions positives, tel le mutualisme, en dépit de la reconnaissance de leur ubiquité dans les systèmes écologiques. Cette thèse explore cette problématique propre à l’écologie des communautés, en utilisant une approche théorique s’inspirant de la théorie des systèmes complexes et de la mécanique statistique. Selon cette approche, les communautés d’espèces sont considérées comme des systèmes complexes dont les propriétés globales émergent des interactions locales entre les organismes qui les composent, et des interactions locales entre ces organismes et leur environnement. Le premier objectif de cette thèse est de développer un modèle de métacommunauté multi-espèces, explicitement spatial, orienté à l’échelle des individus et basé sur un réseau d’interactions interspécifiques générales comprenant à la fois des interactions d’exploitation, de compétition et de mutualisme. Dans ce modèle, les communautés locales sont formées par un processus d’assemblage des espèces à partir d’un réservoir régional. La croissance des populations est restreinte par une capacité limite et leur dynamique évolue suivant des mécanismes simples de reproduction et de dispersion des individus. Ces mécanismes sont dépendants des conditions biotiques et abiotiques des communautés locales et leur effet varie en fonction des espèces, du temps et de l’espace. Dans un deuxième temps, cette thèse a pour objectif de déterminer l’impact d’une connectivité spatiale croissante sur la dynamique spatiotemporelle et sur les propriétés structurelles et fonctionnelles de cette métacommunauté. Plus précisément, nous évaluons différentes propriétés des communautés en fonction du niveau de dispersion des espèces : i) la similarité dans la composition des communautés locales et ses patrons de corrélations spatiales; ii) la biodiversité locale et régionale, et la distribution locale de l’abondance des espèces; iii) la biomasse, la productivité et la stabilité dynamique aux échelles locale et régionale; et iv) la structure locale des interactions entre les espèces. Ces propriétés sont examinées selon deux schémas spatiaux. D’abord nous employons un environnement homogène et ensuite nous employons un environnement hétérogène où la capacité limite des communautés locales évoluent suivant un gradient. De façon générale, nos résultats révèlent que les communautés écologiques spatialement distribuées sont extrêmement sensibles aux modes et aux niveaux de dispersion des organismes. Leur dynamique spatiotemporelle et leurs propriétés structurelles et fonctionnelles peuvent subir des changements profonds sous forme de transitions significatives suivant une faible variation du niveau de dispersion. Ces changements apparaissent aussi par l’émergence de patrons spatiotemporels dans la distribution spatiale des populations qui sont typiques des transitions de phases observées généralement dans les systèmes physiques. La dynamique de la métacommunauté présente deux régimes. Dans le premier régime, correspondant aux niveaux faibles de dispersion des espèces, la dynamique d’assemblage favorise l’émergence de communautés stables, peu diverses et formées d’espèces abondantes et fortement mutualistes. La métacommunauté possède une forte diversité régionale puisque les communautés locales sont faiblement connectées et que leur composition demeure ainsi distincte. Par ailleurs dans le second régime, correspondant aux niveaux élevés de dispersion, la diversité régionale diminue au profit d’une augmentation de la diversité locale. Les communautés locales sont plus productives mais leur stabilité dynamique est réduite suite à la migration importante d’individus. Ce régime est aussi caractérisé par des assemblages incluant une plus grande diversité d’interactions interspécifiques. Ces résultats suggèrent qu’une augmentation du niveau de dispersion des organismes permet de coupler les communautés locales entre elles ce qui accroît la coexistence locale et favorise la formation de communautés écologiques plus riches et plus complexes. Finalement, notre étude suggère que le mutualisme est fondamentale à l’organisation et au maintient des communautés écologiques. Les espèces mutualistes dominent dans les habitats caractérisés par une capacité limite restreinte et servent d’ingénieurs écologiques en facilitant l’établissement de compétiteurs, prédateurs et opportunistes qui bénéficient de leur présence.

Étude des transitions de phases dans le modèle de Higgs abélien en (2+1) dimensions et l'effet du terme de Chern-Simons

Nous avons investigué, via les simulations de Monte Carlo, les propriétés non-perturbatives du modèle de Higgs abélien en 2+1 dimensions sans et avec le terme de Chern-Simons dans la phase de symétrie brisée, en termes de ses excitations topologiques: vortex et anti-vortex. Le but du présent travail est de rechercher les phases possibles du système dans ce secteur et d'étudier l'effet du terme de Chern-Simons sur le potentiel de confinement induit par les charges externes trouvé par Samuel. Nous avons formulé une description sur réseau du modèle effectif en utilisant une tesselation tétraédrique de l'espace tridimensionnel Euclidien pour générer des boucles de vortex fermées. En présence du terme de Chern-Simons, dans une configuration donnée, nous avons formulé et calculé le nombre d'enlacement entre les différentes boucles de vortex fermées. Nous avons analysé les propriétés du vide et calculé les valeurs moyennes de la boucle de Wilson, de la boucle de Polyakov à différentes températures et de la boucle de 't Hooft en présence du terme de Chern-Simons. En absence du terme de Chern-Simons, en variant la masse des boucles de vortex, nous avons trouvé deux phases distinctes dans le secteur de la symétrie brisée, la phase de Higgs habituelle et une autre phase caractérisée par l'apparition de boucles infinies. D'autre part, nous avons trouvé que la force entre les charges externes est écrantée correpondant à la loi périmètre pour la boucle de Wilson impliquant qu'il n'y a pas de confinement. Cependant, après la transition, nous avons trouvé qu'il existe toujours une portion de charges externes écrantée, mais qu'après une charge critique, l'énergie libre diverge. En présence du terme de Chern-Simons, et dans la limite de constante de couplage faible de Chern-Simons nous avons trouvé que les comportements de la boucle de Wilson et de la boucle de 't Hooft ne changent pas correspondants à une loi périmètre, impliquant qu'il n'y a pas de confinement. De plus, le terme de Chern-Simons ne contribue pas à la boucle de Wilson.

Effet de la symétrie sur la supraconductivité de LaRhSi3 et la frustration magnétique du SrRE2O4 (RE = Dy ou Ho)

Dans la première partie, nous présentons les résultats de l'étude du supraconducteur sans inversion de symétrie LaRhSi3 par spectroscopie muonique. En champ nul, nous n'avons pas détecté de champ interne. Ceci indique que la fonction d'onde de l'état supraconducteur n'est pas dominée par l'état triplet. Les mesures en champ transverse de 35G présentent une transition en accord avec la transition de phase attendue sous le champ critique Hc1. Nous avons répété ces mesures pour un champ entre Hc1 et Hc2, 150G. Le spectre obtenu pour ces mesures conserve l'asymétrie et relaxe rapidement à basse température tel que prédit pour un supraconducteur dans la phase d'Abrikosov. Néanmoins, les relaxations produites par ce balayage en température présentent une transition à près de 2 fois la température critique attendue. Dans la deuxième partie de ce mémoire, nous donnons l'interprétation des résultats de la diffraction neutronique inélastique par l'étude des champs électriques cristallins. Ces mesures ont été effectuées sur des aimants frustrés SrHo2O4 et SrDy2O4 sous la forme de poudre. L'étude des niveaux produits par les champs cristallins par la méthode des opérateurs de Stevens indique une perte du moment cinétique dans les deux matériaux. Pour le SrDy2O4, l'état fondamental serait constitué de quatre états dégénérés quasi accidentellement qui portent un moment magnétique total non-nul. Toute fois, nos mesures de susceptibilité magnétique ne montrent aucun ordre au-dessus de 50mK. Pour le SrHo2O4, le fondamental est formé d'une paire accidentelle. Nous obtenons un moment magnétique de 6.94(8)$\mu_B$ ce qui s'accorde avec les données expérimentales.

Étude et caractérisation de détecteurs à liquide en surchauffe

Les preuves astronomiques stipulent qu'environ 4\% de la densité de masse-énergie de l'univers serait composé d'atomes. Le reste est séparé entre la matière sombre, qui représente 24\% de la densité de masse-énergie, et l'énergie sombre, qui s'accapare les 71\% restant. Le neutralino est une particule prédite par la théorie de la supersymétrie et est un candidat à la composition de la matière sombre. Le Projet d'Identification des Candidats Supersymétriques Sombres (PICASSO) vise à détecter le neutralino en utilisant des détecteurs à gouttelettes de C$_4$F$_{10}$ en surchauffe. Lors du passage d'une particule dans les gouttelettes de C$_4$F$_{10}$, une transition de phase aura lieu si l'énergie déposée est au-delà du seuil prédit par le critère de nucléation d'une transition de phase (théorie de Seitz). L'onde acoustique émise durant la transition de phase est ensuite transformée en impulsion électrique par des capteurs piézoélectriques placés sur le pourtour du détecteur. Le signal est amplifié, numérisé puis enregistré afin de pouvoir être analysé par des outils numériques. L'ouvrage qui suit présente les travaux effectués sur la compréhension des signaux des détecteurs à gouttelettes en surchauffe dans le but d'améliorer la discrimination du bruit de fond. Un détecteur à petites gouttelettes, r $\approx 15\mu m$ a été étudié et comparé à une simulation Monte Carlo. Il s'est avéré que les possibilités de discrimination du bruit de fond provenant des particules alpha étaient réduites pour un détecteur à petites gouttelettes, et ce en accord avec le modèle théorique. Différentes composantes du système d'acquisition ont été testées dont le couplage entre le capteur piézoélectrique et la paroi en acrylique, l'efficacité des capteurs piézoélectriques à gain intégré et les conséquences de la force du gain sur la qualité du signal. Une comparaison avec des résultats de l'expérience SIMPLE (Superheated Instrument for Massive ParticLe Experiments) a été effectuée en mesurant des signaux de détecteurs PICASSO à l'aide d'un microphone électrostatique à électret. Il a été conclu que les détecteurs PICASSO ne parviennent pas à reproduire la discrimination quasi parfaite présentée par SIMPLE.

Études de l’effet tunnel des spins quantiques macroscopiques

Dans cette thèse, nous présentons quelques analyses théoriques récentes ainsi que des observations expérimentales de l’effet tunnel quantique macroscopique et des tran- sitions de phase classique-quantique dans le taux d’échappement des systèmes de spins élevés. Nous considérons les systèmes de spin biaxial et ferromagnétiques. Grâce à l’approche de l’intégral de chemin utilisant les états cohérents de spin exprimés dans le système de coordonnées, nous calculons l’interférence des phases quantiques et leur distribution énergétique. Nous présentons une exposition claire de l’effet tunnel dans les systèmes antiferromagnétiques en présence d’un couplage d’échange dimère et d’une anisotropie le long de l’axe de magnétisation aisé. Nous obtenons l’énergie et la fonc- tion d’onde de l’état fondamentale ainsi que le premier état excité pour les systèmes de spins entiers et demi-entiers impairs. Nos résultats sont confirmés par un calcul utilisant la théorie des perturbations à grand ordre et avec la méthode de l’intégral de chemin qui est indépendant du système de coordonnées. Nous présentons aussi une explica- tion claire de la méthode du potentiel effectif, qui nous laisse faire une application d’un système de spin quantique vers un problème de mécanique quantique d’une particule. Nous utilisons cette méthode pour analyser nos modèles, mais avec la contrainte d’un champ magnétique externe ajouté. La méthode nous permet de considérer les transitions classiques-quantique dans le taux d’échappement dans ces systèmes. Nous obtenons le diagramme de phases ainsi que les températures critiques du passage entre les deux régimes. Nous étendons notre analyse à une chaine de spins d’Heisenberg antiferro- magnétique avec une anisotropie le long d’un axe pour N sites, prenant des conditions frontière périodiques. Pour N paire, nous montrons que l’état fondamental est non- dégénéré et donné par la superposition des deux états de Néel. Pour N impair, l’état de Néel contient un soliton, et, car la position du soliton est indéterminée, l’état fondamen- tal est N fois dégénéré. Dans la limite perturbative pour l’interaction d’Heisenberg, les fluctuations quantiques lèvent la dégénérescence et les N états se réorganisent dans une bande. Nous montrons qu’à l’ordre 2s, où s est la valeur de chaque spin dans la théorie des perturbations dégénérées, la bande est formée. L’état fondamental est dégénéré pour s entier, mais deux fois dégénéré pour s un demi-entier impair, comme prévu par le théorème de Kramer

Ultrasonic Study Of The Elastic Properties And Phase Transitions In Selected Mixed Sulphate Crystals

The thesis investigated the elastic properties and phase transitions in selected mixed sulphate crystals – Lithium Hydrazinium Sulphate [LiN2H2SO4], Lithium Ammonium Sulphate [LiNH4SO4] and Lithium Potassium Sulphate [LiKSO4] – using ultrasonic technique. The pulse echo overlap technique has been used for measuring ultrasonic velocity and its dependence on temperature along different directions with waves of longitudinal and transverse polarizations. Two major numerical techniques and the corresponding computer programs developed as part of present work are presented in this thesis. All the 9 elastic constants of LHS are determined accurately from ultrasonic measurements and applying misorientation correction refines the constants. Ultrasonic measurements are performed in LAS to determine the elastic constants and to study the low temperature phase transitions. Temperature variation studies of elastic constant of LAS are performed for 6 different modes of propagation for heating and cooling at low temperatures. All the 5 independent elastic constants of LPS is determined using ultrasonic measurements. It is concluded that LPS crystal does not undergo a phase transition near this temperature. A comparison of the three crystals studied shows that LPS has maximum number of phase transitions and LHS has the least number. It is interesting to note that LPS has the simplest formula unit among the three. There is considerable scope for the future work on these crystals and others belonging to the sulphate family.

Phase transitions in lithium ammonium sulfate below room temperature: An ultrasonic study

A detailed ultrasonic study of the elastic properties of lithium ammonium sulfate ~LiNH4SO4! or LAS has been carried out below room temperature. The elastic constants of LAS at room temperature are reported. The discrepancy present in earlier elastic constant data associated with the different choice of axes for this orthorhombic system are clarified. The results of the temperature variation study down to 220 K confirm the ferroelastic phase transition at 285 K and establish a thermal hysteresis of about 2.5 K between the cooling and heating cycles. Results of the investigation on the suspected weak phase transition at 256 K suggest that this transition occurs at 242 K on cooling and at 256 K on heating, thus having a thermal hysteresis of about 14 K. However, since the observed elastic anomaly for this transition is very small, the nature of this transition still remains unclear

Thermal Properties of Dicalcium Lead Propionate Across the Prominent Transition Temperatures

The thermal transport properties, thermal diffusivity, thermal conductivity and specific heat capacity of Dicalcium Lead Propionate (DLP) crystal have been measured following a modified photopyroelectric thermal wave method. The measurements have been carried out with thermal waves propagating along the three principal symmetry directions, so as to bring out the anisotropy in these parameters. The variations of the above parameters through two prominent phase transition temperatures of this crystal have also been measured to understand the variation of these parameters as it undergoes ferroelectric phase transitions. In addition, complete thermal analysis and FTIR measurements have been done on the crystal to bring out the correlation of these results with the corresponding thermal transport properties. All these results are presented and discussed. The data presented in this paper form a comprehensive set of results on the thermal transport properties of this crystal.

Electrical conductivity, dielectric constant and phase transitions in pure and doped diammonium hydrogen phosphate

DC and AC electrical conductivity measurements in single crystals of diammonium hydrogen phosphate along the c axis show anomalous variations at 174, 246 and 416 K. The low-frequency dielectric constant also exhibits peaks exactly at these temperatures with a thermal hysteresis of 13 degrees C for the peak at 416 K. These specific features of the electrical properties are in agreement with earlier NMR second-moment data and can be identified with three distinct phase transitions that occur in the crystal. The electrical conductivity values have been found to increase linearly with impurity concentration in specimens doped with a specific amount of SO42- ions. The mechanisms of the phase transition and of the electrical conduction process are discussed in detail.

Photopyroelectric study of thermal properties and phase transitions in selected solids

This thesis presents in detail. the theoretical developments and calculations which are used for the simultaneous determination of thermal parameters, namely thermal diffusivity (a). thermal effusivity (e), thermal conductivity (K) and heat capacity (cr ) employing photopyroelectric technique. In our calculations. we have assumed that the pyroelectric detector is supported on a copper backing. so that there will be sufficient heat exchange between the heated pyroelectric detector and the backing so that the signal fluctuations are reduced to a minimum. Since the PPE signal depends on the properties of the detector that are also temperature dependent. a careful temperature calibration of the system need to be carried out. APPE cell has been fabricated for the measurements that can be used to measure the thermal properties of solid samples from ~ 90 K to ~ 350 K. The cell has been calibrated using standard samples and the accuracy of the technique is found to be of the order of± 1%.In this thesis, we have taken up work n photopyroelectric investigation of thermal parameters of ferroelectric crystals such as Glycine phosphite (NH3CH2COOH3P03), Triglycine sulfate and Thiourea as well as mixed valence perovskites samples such as Lead doped Lanthanum Manganate (Lal_xPb~Mn03) Calcium doped (Lal_xCaxMnOJ) and Nickel doped Lanthanum Stroncium Cobaltate (Lao~Sro5Ni,Col_x03).The three ferroelectric crystals are prepared by the slow evaporation technique and the mixed valence perovskites by solid state reaction technique.Mixed valence perovskites, with the general formula RI_xA~Mn03 (R = La. Nd or Pr and A = Ba, Ca, Sr or Pb) have been materials of intense experimental and theoretical studies over the past few years. These materials show . colossal magneloresis/ance' (CMR) in samples with 0.2 < x < 0.5 in such a doping region, resistivity exhibits a peak at T = T p' the metal - insulator transition temperature. The system exhibits metallic characteristics with d %T > Oabove Tp (wherep is the resistivity) and insulating characteristics with d % T < 0 above T p. Despite intensive investigations on the CMR phenomena and associated electrical properties. not much work has been done on the variation of thermal properties of these samples. We have been quite successful in finding out the nature of anomaly associated with thermal properties when the sample undergoes M-I transition.The ferroelectric crystal showing para-ferroelectric phase transitions - Glycine phosphite. Thiourea and Triglycine sulfate - are studied in detail in order to see how well the PPE technique enables one to measure the thermal parameters during phase transitions. It is seen that the phase transition gets clearly reflected in the variation of thermal parameters. The anisotropy in thermal transport along different crystallographic directions are explained in terms of the elastic anisotropy and lattice contribution to the thermal conductivity. Interesting new results have been obtained on the above samples and are presented in three different chapters of the thesis.In summary. we have carried investigations of the variations of the thermal parameters during phase transitions employing photopyroelectric technique. The results obtained on different systems are important not only in understanding the physics behind the transitions but also in establishing the potentiality of the PPE tool. The full potential of PPE technique for the investigation of optical and thermal properties of materials still remains to be taken advantage of by workers in this field.

Electrical conductivity and thermally stimulated current in the paraelectric phase of (NH4)2SO4

Anomalous variations of d.c. electrical conductivity with temperature are observed in ammonium sulphate single crystals, suggesting a possible phase transition at 150°C. Measurements of thermally stimulated current also support these results. The mechanism of electrical conduction is explained on the basis of studies made on doped and quenched crystals.

High‐temperature phase transitions in pure and deuterated ammonium dihydrogen phosphate: Conductivity and dielectric measurements

Results of axiswise measurements of the electrical conductivity (dc and ac) and dielectric constant of NH4H2PO4 confirm the occurrence of the recently suggested high‐temperature phase transition in this crystal (at 133 °C). The corresponding transition in ND4D2PO4 observed here for the first time takes place at 141.5 °C. The mechanism involved in these transitions and those associated with the electrical conduction and dielectric anomalies are explained on the basis of the motional effects of the ammonium ions in these crystals. Conductivity values for deuterated crystals give direct evidence for the predominance of protonic conduction throughout the entire range of temperatures studied (30–260 °C).