Precursor phenomena in frustrated systems

To understand the origin of the dynamical transition, between high-temperature exponential relaxation and low-temperature nonexponential relaxation, that occurs well above the static transition in glassy systems, a frustrated spin model, with and without disorder, is considered. The model has two phase transitions, the lower being a standard spin glass transition (in the presence of disorder) or fully frustrated Ising (in the absence of disorder), and the higher being a Potts transition. Monte Carlo results clarify that in the model with (or without) disorder the precursor phenomena are related to the Griffiths (or Potts) transition. The Griffiths transition is a vanishing transition which occurs above the Potts transition and is present only when disorder is present, while the Potts transition which signals the effect due to frustration is always present. These results suggest that precursor phenomena in frustrated systems are due either to disorder and/or to frustration, giving a consistent interpretation also for the limiting cases of Ising spin glass and of Ising fully frustrated model, where also the Potts transition is vanishing. This interpretation could play a relevant role in glassy systems beyond the spin systems case.

Metastable liquid-liquid phase transition in a single-component system with only one crystal phase and no density anomaly

We investigate the phase behavior of a single-component system in three dimensions with spherically-symmetric, pairwise-additive, soft-core interactions with an attractive well at a long distance, a repulsive soft-core shoulder at an intermediate distance, and a hard-core repulsion at a short distance, similar to potentials used to describe liquid systems such as colloids, protein solutions, or liquid metals. We showed [Nature (London) 409, 692 (2001)] that, even with no evidence of the density anomaly, the phase diagram has two first-order fluid-fluid phase transitions, one ending in a gas¿low-density-liquid (LDL) critical point, and the other in a gas¿high-density-liquid (HDL) critical point, with a LDL-HDL phase transition at low temperatures. Here we use integral equation calculations to explore the three-parameter space of the soft-core potential and perform molecular dynamics simulations in the interesting region of parameters. For the equilibrium phase diagram, we analyze the structure of the crystal phase and find that, within the considered range of densities, the structure is independent of the density. Then, we analyze in detail the fluid metastable phases and, by explicit thermodynamic calculation in the supercooled phase, we show the absence of the density anomaly. We suggest that this absence is related to the presence of only one stable crystal structure.

A high-sensitivity differential scanning calorimeter with magnetic field for magnetostructural transitions

We have developed a differential scanning calorimeter capable of working under applied magnetic fields of up to 5 T. The calorimeter is highly sensitive and operates over the temperature range 10¿300 K. It is shown that, after a proper calibration, the system enables determination of the latent heat and entropy changes in first-order solid¿solid phase transitions. The system is particularly useful for investigating materials that exhibit the giant magnetocaloric effect arising from a magnetostructural phase transition. Data for Gd5(Si0.1Ge0.9)4 are presented.

Tectonic subsidence of the Lomonosov Ridge

The Cenozoic sedimentary record revealed by the Integrated Ocean Drilling Program's Arctic Coring Expedition (ACEX) to the Lomonosov Ridge microcontinent in 2004 is characterized by an unconformity attributed to the period 44-18 Ma. According to conventional thermal kinematic models, the microcontinent should have subsided to >1 km depth owing to rifting and subsequent separation from the Barents-Kara Sea margin at 56 Ma. We propose an alternative model incorporating a simple pressure-temperature (P-T) relation for mantle density. Using this model, we can explain the missing stratigraphic section by post-breakup uplift and erosion. The pattern of linear magnetic anomalies and the spreading geometry imply that the generation of oceanic crust in the central Eurasia Basin could have been restricted and confined by non-volcanic thinning of the mantle lithosphere at an early stage (ca. 56-40 Ma). In response to a rise in temperature, the mantle mineral composition may have changed through breakdown of spinet peridotite and formation of less dense plagioclase peridotite. The consequence of lithosphere heating and related mineral phase transitions would be post-breakup uplift followed by rapid subsidence to the deep-water environment observed on the Lomonosov Ridge today.

Brittle to ductile transition in a fiber bundle with strong heterogeneity

We analyze the failure process of a two-component system with widely different fracture strength in the framework of a fiber bundle model with localized load sharing. A fraction 0≤α≤1 of the bundle is strong and it is represented by unbreakable fibers, while fibers of the weak component have randomly distributed failure strength. Computer simulations revealed that there exists a critical composition αc which separates two qualitatively different behaviors: Below the critical point, the failure of the bundle is brittle, characterized by an abrupt damage growth within the breakable part of the system. Above αc, however, the macroscopic response becomes ductile, providing stability during the entire breaking process. The transition occurs at an astonishingly low fraction of strong fibers which can have importance for applications. We show that in the ductile phase, the size distribution of breaking bursts has a power law functional form with an exponent μ=2 followed by an exponential cutoff. In the brittle phase, the power law also prevails but with a higher exponent μ=92. The transition between the two phases shows analogies to continuous phase transitions. Analyzing the microstructure of the damage, it was found that at the beginning of the fracture process cracks nucleate randomly, while later on growth and coalescence of cracks dominate, which give rise to power law distributed crack sizes.

Reaction-diffusion lattice gas: Theory and computer results

We report on the study of nonequilibrium ordering in the reaction-diffusion lattice gas. It is a kinetic model that relaxes towards steady states under the simultaneous competition of a thermally activated creation-annihilation $(reaction$) process at temperature T, and a diffusion process driven by a heat bath at temperature T?T. The phase diagram as one varies T and T, the system dimension d, the relative priori probabilities for the two processes, and their dynamical rates is investigated. We compare mean-field theory, new Monte Carlo data, and known exact results for some limiting cases. In particular, no evidence of Landau critical behavior is found numerically when d=2 for Metropolis rates but Onsager critical points and a variety of first-order phase transitions.

Phenomenological models of holographic superconductors and hall currents

We study general models of holographic superconductivity parametrized by four arbitrary functions of a neutral scalar field of the bulk theory. The models can accommodate several features of real superconductors, like arbitrary critical temperatures and critical exponents in a certain range, and perhaps impurities or boundary or thickness effects. We find analytical expressions for the critical exponents of the general model and show that they satisfy the Rushbrooke identity. An important subclass of models exhibit second order phase transitions. A study of the specific heat shows that general models can also describe holographic superconductors undergoing first, second and third (or higher) order phase transitions. We discuss how small deformations of the HHH model can lead to the appearance of resonance peaks in the conductivity, which increase in number and become narrower as the temperature is gradually decreased, without the need for tuning mass of the scalar to be close to the Breitenlohner-Freedman bound. Finally, we investigate the inclusion of a generalized ¿theta term¿ producing Hall effect without magnetic field.

Origin of magnetic and magnetoelastic tweedlike precursor modulations in ferroic materials

Based on experimental observations of modulated magnetic patterns in a Co0.5Ni0.205Ga0.295 alloy, we propose a model to describe a (purely) magnetic tweed and a magnetoelastic tweed. The former arises above the Curie (or Nel) temperature due to magnetic disorder. The latter results from compositional fluctuations coupling to strain and then to magnetism through the magnetoelastic interaction above the structural transition temperature. We discuss the origin of purely magnetic and magnetoelastic precursor modulations and their experimental thermodynamic signatures.

Influence of the Al content on the phase transformations in Cu-Al-Ag alloys

The influence of the Al content on the phase transformations in Cu-Al-Ag alloys was studied by classical differential thermal analysis (DTA), optical microscopy (OM) and X-ray diffractometry (XRD). The results indicated that the increase in the Al content and the presence of Ag decrease the rate of the b1 phase decomposition reaction and contribute for the raise of this transition temperature, thus decreasing the stability range of the perlitic phase resulted from the b1 decomposition reaction.

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 aimants quantiques et supraconducteurs non conventionnels

Une première partie de ce mémoire portera sur l’analyse des états fondamentaux ma- gnétiques de deux composés isolants et magnétiquement frustrés SrDy2O4 et SrHo2O4. Une étude de la chaleur spécifique à basse température sous l’effet de champs magné- tiques de ces échantillons a été menée afin de détecter la présence de transitions de phases. L’utilisation d’un composé isotructurel non magnétique, le SrLu2O4, a permis l’isolement de la composante magnétique à la chaleur spécifique. Les comportements observés sont non conformes avec les transitions magnétiques conventionnelles. De plus, le calcul de l’entropie magnétique ne montre qu’un recouvrement partiel de l’entropie associée à un système d’ions magnétiques. En second lieu, une analyse des oscillations quantiques de Haas-van Alphen a été effectuée dans le LuCoIn5, composé apparenté au supraconducteur à fermions lourds CeCoIn5. Les résultats obtenus montrent une topologie de la surface de Fermi très différente comparativement aux CeCoIn5 et LaCoIn5, ayant un comportement beaucoup plus tridimensionnel sans les cylindres caractéristiques présents chez les autres membres de cette famille. Finalement, le montage d’un système de détection PIXE a permis l’analyse nucléaire d’échantillons afin de déterminer la concentration de chacun des éléments les constituant. L’analyse a été effectuée sur une série d’échantillons YbxCe1−xCoIn5 dont le changement de concentration a des effets importants sur les propriétés du système.

Discrimination d'événements par analyse des signaux enregistrés par le projet PICASSO

La matière sombre est un mystère dans le domaine de l’astrophysique depuis déjà plusieurs années. De nombreuses observations montrent que jusqu’à 85 % de la masse gravitationnelle totale de l’univers serait composée de cette matière de nature inconnue. Une théorie expliquant cette masse manquante considérerait les WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), particules stables, non chargées, prédites par des extensions du modèle standard, comme candidats. Le projet PICASSO (Projet d’Identification des CAndidats Supersymétriques à la matière Sombre) est une expérience qui tente de détecter directement le WIMP. Le projet utilise des détecteurs à gouttelettes de fréon (C4F10) surchauffées. La collision entre un WIMP et le noyau de fluor crée un recul nucléaire qui cause à son tour une transition de phase de la gouttelette liquide à une bulle gazeuse. Le bruit de ce phénomène est alors capté par des senseurs piézoélectriques montés sur les parois des détecteurs. Le WIMP n’est cependant pas la seule particule pouvant causer une telle transition de phase. D’autres particules environnantes peuvent former des bulles, telles les particules alpha où même des rayons gamma . Le système d’acquisition de données (DAQ) est aussi en proie à du bruit électronique qui peut être enregistré, ainsi que sensible à du bruit acoustique extérieur au détecteur. Finalement, des fractures dans le polymère qui tient les gouttelettes en place peut également causer des transitions de phase spontanées. Il faut donc minimiser l’impact de tous ces différents bruit de fond. La pureté du matériel utilisé dans la fabrication des détecteurs devient alors très importante. On fait aussi appel à des méthodes qui impliquent l’utilisation de variables de discrimination développées dans le but d’améliorer les limites d’exclusion de détection du WIMP.

Nouvelles limites sur la détection directe de la matière sombre avec l’expérience PICASSO

Les observations astronomiques et cosmologiques suggèrent fortement la présence d’une matière exotique, non-relativiste et non-baryonique qui représenterait 26% du contenu de masse-énergie de l’Univers actuel. Cette matière dite sombre et froide serait compo- sée de particules neutres, massives et interagissant faiblement avec la matière ordinaire (WIMP : Weakly Interactive Massive Particles). Le projet PICASSO (Projet d’Identification des CAndidats Supersymétriques de la matière SOmbre) est une des expériences installées dans le site souterrain de SNOLAB à Sudbury en Ontario, qui tente de détecter directement un des candidats de la matière sombre, proposé dans le cadre des extensions supersymétriques du modèle standard : le neutralino. Pour cela, PICASSO utilise des détecteurs à gouttelettes surchauffées de C4F10, basés sur le principe de la chambre à bulles. Les transitions de phase dans les liquides surchauffés peuvent être déclenchées par le recul du 19 F, causé par une collision élastique avec les neutralinos. La nucléation de la gouttelette génère une onde sonore enregistrée par des senseurs piézo-électriques. Cette thèse présentera les récents progrès de l’expérience PICASSO qui ont conduit à une augmentation substantielle de sa sensibilité dans la recherche du neutralino. En effet, de nouvelles procédures de fabrication et de purification ont permis de réduire à un facteur de 10, la contamination majeure des détecteurs, causée par les émetteurs alpha. L’étude de cette contamination dans les détecteurs a permis de localiser la source de ces émetteurs. Les efforts effectués dans le cadre de l’analyse des données, ont permis d’améliorer l’effet de discrimination entre des évènements engendrés par les particules alpha et par les reculs nucléaires. De nouveaux outils d’analyse ont également été implémentés dans le but de discriminer les évènements générés par des particules de ceux générés par des bruits de fond électroniques ou acoustiques. De plus, un mécanisme important de suppression de bruit de fond indésirable à haute température, a permis à l’expérience PICASSO d’être maintenant sensible aux WIMPs de faibles masses.

Analyse et modélisation de la réponse des détecteurs du projet PICASSO pour la recherche de la matière sombre

Les mesures cosmologiques les plus récentes ont montré la présence d’un type de matière exotique constituant 85% de la masse de l’univers. Ce type de matière non baryonique serait formé de particules neutres, non relativistes, massives et interagissant faiblement avec la matière baryonique. L’ensemble des candidats est regroupé sous le nom générique WIMP (Weakly Interactive Massive Particles). L’expérience PICASSO (Projet d’Identification des CAndidats Supersymétriques de la matière SOmbre) est une expérience utilisant des détecteurs à seuil d’énergie contenant des gouttelettes surchauffées constituées de C4F10. Cette technique de détection est basée sur le principe de la chambre à bulles. Le projet PICASSO a pour but de détecter directement une particule de matière sombre. Le principe de détection est qu’une particule de matière sombre interagissant avec le liquide actif engendre un recul nucléaire du 19F. L’énergie de recul serait suffisante pour engendrer une transition de phase accompagnée d’un signal acoustique enregistrée par des senseurs piézoélectriques. Dans le cadre de ce mémoire, une simulation du taux de comptage de l’étalonnage des détecteurs PICASSO soumis à des neutrons monoénergétiques a été effectuée en utilisant la théorie de Seitz qui décrit les critères pour qu’une transition de phase ait lieu pour un liquide en état de surchauffe. De plus, un modèle calculant le signal acoustique émis lors d’une transition de phase engendré par différents types de radiations a été créé permettant de caractériser la discrimination entre différents bruits de fond en fonction de l’énergie de seuil. Finalement, un outil d’analyse, la localisation des évènements, a été utilisé pour appliquer des coupures sur le volume dans le but d’améliorer la discrimination alpha-neutron.

Studies on Some Aspects of the Physics of the Early Universe Using Gravitationally Coupled Scalar Field –

This thesis deals with some aspects of the Physics of the early universe, like phase transitions, bubble nucleations and premodial density perturbations which lead to the formation structures in the universe. Quantum aspects of the gravitational interaction play an essential role in retical high-energy physics. The questions of the quantum gravity are naturally connected with early universe and Grand Unification Theories. In spite of numerous efforts, the various problems of quantum gravity remain still unsolved. In this condition, the consideration of different quantum gravity models is an inevitable stage to study the quantum aspects of gravitational interaction. The important role of gravitationally coupled scalar field in the physics of the early universe is discussed in this thesis. The study shows that the scalar-gravitational coupling and the scalar curvature did play a crucial role in determining the nature of phase transitions that took place in the early universe. The key idea in studying the formation structure in the universe is that of gravitational instability.