Etudes ab initio des effets de la température sur le spectre optique des semi-conducteurs

Thèse réalisée en cotutelle avec l'Université Catholique de Louvain (Belgique)

Design thinking and the precautionary principle : development of a theoretical model complementing preventive judgment for design for sustainability enriched through a study of architectural competitions adopting LEED

Cette thèse contribue à une théorie générale de la conception du projet. S’inscrivant dans une demande marquée par les enjeux du développement durable, l’objectif principal de cette recherche est la contribution d’un modèle théorique de la conception permettant de mieux situer l’utilisation des outils et des normes d’évaluation de la durabilité d’un projet. Les principes fondamentaux de ces instruments normatifs sont analysés selon quatre dimensions : ontologique, méthodologique, épistémologique et téléologique. Les indicateurs de certains effets contre-productifs reliés, en particulier, à la mise en compte de ces normes confirment la nécessité d’une théorie du jugement qualitatif. Notre hypothèse principale prend appui sur le cadre conceptuel offert par la notion de « principe de précaution » dont les premières formulations remontent du début des années 1970, et qui avaient précisément pour objectif de remédier aux défaillances des outils et méthodes d’évaluation scientifique traditionnelles. La thèse est divisée en cinq parties. Commençant par une revue historique des modèles classiques des théories de la conception (design thinking) elle se concentre sur l’évolution des modalités de prise en compte de la durabilité. Dans cette perspective, on constate que les théories de la « conception verte » (green design) datant du début des années 1960 ou encore, les théories de la « conception écologique » (ecological design) datant des années 1970 et 1980, ont finalement convergé avec les récentes théories de la «conception durable» (sustainable design) à partir du début des années 1990. Les différentes approches du « principe de précaution » sont ensuite examinées sous l’angle de la question de la durabilité du projet. Les standards d’évaluation des risques sont comparés aux approches utilisant le principe de précaution, révélant certaines limites lors de la conception d’un projet. Un premier modèle théorique de la conception intégrant les principales dimensions du principe de précaution est ainsi esquissé. Ce modèle propose une vision globale permettant de juger un projet intégrant des principes de développement durable et se présente comme une alternative aux approches traditionnelles d’évaluation des risques, à la fois déterministes et instrumentales. L’hypothèse du principe de précaution est dès lors proposée et examinée dans le contexte spécifique du projet architectural. Cette exploration débute par une présentation de la notion classique de «prudence» telle qu’elle fut historiquement utilisée pour guider le jugement architectural. Qu’en est-il par conséquent des défis présentés par le jugement des projets d’architecture dans la montée en puissance des méthodes d’évaluation standardisées (ex. Leadership Energy and Environmental Design; LEED) ? La thèse propose une réinterprétation de la théorie de la conception telle que proposée par Donald A. Schön comme une façon de prendre en compte les outils d’évaluation tels que LEED. Cet exercice révèle cependant un obstacle épistémologique qui devra être pris en compte dans une reformulation du modèle. En accord avec l’épistémologie constructiviste, un nouveau modèle théorique est alors confronté à l’étude et l’illustration de trois concours d'architecture canadienne contemporains ayant adopté la méthode d'évaluation de la durabilité normalisée par LEED. Une série préliminaire de «tensions» est identifiée dans le processus de la conception et du jugement des projets. Ces tensions sont ensuite catégorisées dans leurs homologues conceptuels, construits à l’intersection du principe de précaution et des théories de la conception. Ces tensions se divisent en quatre catégories : (1) conceptualisation - analogique/logique; (2) incertitude - épistémologique/méthodologique; (3) comparabilité - interprétation/analytique, et (4) proposition - universalité/ pertinence contextuelle. Ces tensions conceptuelles sont considérées comme autant de vecteurs entrant en corrélation avec le modèle théorique qu’elles contribuent à enrichir sans pour autant constituer des validations au sens positiviste du terme. Ces confrontations au réel permettent de mieux définir l’obstacle épistémologique identifié précédemment. Cette thèse met donc en évidence les impacts généralement sous-estimés, des normalisations environnementales sur le processus de conception et de jugement des projets. Elle prend pour exemple, de façon non restrictive, l’examen de concours d'architecture canadiens pour bâtiments publics. La conclusion souligne la nécessité d'une nouvelle forme de « prudence réflexive » ainsi qu’une utilisation plus critique des outils actuels d’évaluation de la durabilité. Elle appelle une instrumentalisation fondée sur l'intégration globale, plutôt que sur l'opposition des approches environnementales.

Population Ethics, Social Choice Theory, and Two problems in the Measurement of Economic Poverty

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Vertically coupled quantum dots in the local spin-density functional theory

We have investigated the structure of double quantum dots vertically coupled at zero magnetic field within local-spin-density functional theory. The dots are identical and have a finite width, and the whole system is axially symmetric. We first discuss the effect of thickness on the addition spectrum of one single dot. Next we describe the structure of coupled dots as a function of the interdot distance for different electron numbers. Addition spectra, Hund's rule, and molecular-type configurations are discussed. It is shown that self-interaction corrections to the density-functional results do not play a very important role in the calculated addition spectra

Geometric Algebra and Einstein’s Electron

This thesis entitled Geometric algebra and einsteins electron: Deterministic field theories .The work in this thesis clarifies an important part of Koga’s theory.Koga also developed a theory of the electron incorporating its gravitational field, using his substitutes for Einstein’s equation.The third chapter deals with the application of geometric algebra to Koga’s approach of the Dirac equation. In chapter 4 we study some aspects of the work of mendel sachs (35,36,37,).Sachs stated aim is to show how quantum mechanics is a limiting case of a general relativistic unified field theory.Chapter 5 contains a critical study and comparison of the work of Koga and Sachs. In particular, we conclude that the incorporation of Mach’s principle is not necessary in Sachs’s treatment of the Dirac equation.

Optical response of two-dimensional few-electron concentric double quantum rings: A local-spin-density-functional theory study

We have investigated the dipole charge- and spin-density response of few-electron two-dimensional concentric nanorings as a function of the intensity of a erpendicularly applied magnetic field. We show that the dipole response displays signatures associated with the localization of electron states in the inner and outer ring favored by the perpendicularly applied magnetic field. Electron localization produces a more fragmented spectrum due to the appearance of additional edge excitations in the inner and outer ring.

Semiclassical theory of shot noise in ballistic n+in+ semiconductor structures: relevance of Pauli and long range Coulomb interactions

We work out a semiclassical theory of shot noise in ballistic n+-i-n+ semiconductor structures aiming at studying two fundamental physical correlations coming from Pauli exclusion principle and long-range Coulomb interaction. The theory provides a unifying scheme which, in addition to the current-voltage characteristics, describes the suppression of shot noise due to Pauli and Coulomb correlations in the whole range of system parameters and applied bias. The whole scenario is summarized by a phase diagram in the plane of two dimensionless variables related to the sample length and contact chemical potential. Here different regions of physical interest can be identified where only Coulomb or only Pauli correlations are active, or where both are present with different relevance. The predictions of the theory are proven to be fully corroborated by Monte Carlo simulations.

Adsorption energy and spin state of first-row transition metals adsorbed on MgO(100)

Slab and cluster model spin-polarized calculations have been carried out to study various properties of isolated first-row transition metal atoms adsorbed on the anionic sites of the regular MgO(100) surface. The calculated adsorption energies follow the trend of the metal cohesive energies, indicating that the changes in the metal-support and metal-metal interactions along the series are dominated by atomic properties. In all cases, except for Ni at the generalized gradient approximation level, the number of unpaired electron is maintained as in the isolated metal atom. The energy required to change the atomic state from high to low spin has been computed using the PW91 and B3LYP density-functional-theory-based methods. PW91 fails to predict the proper ground state of V and Ni, but the results for the isolated and adsorbed atom are consistent within the method. B3LYP properly predicts the ground state of all first-row transition atom the high- to low-spin transition considered is comparable to experiment. In all cases, the interaction with the surface results in a reduced high- to low-spin transition energy.

MgO/Ag(001) interface structure and STM images from first principles

The interface of MgO/Ag(001) has been studied with density functional theory applied to slabs. We have found that regular MgO films show a small adhesion to the silver substrate, the binding can be increased in off-stoichiometric regimes, either by the presence of O vacancies at the oxide film or by a small excess of O atoms at the interface between the ceramic to the metal. By means of theoretical methods, the scanning tunneling microscopy signatures of these films is also analyzed in some detail. For defect free deposits containing 1 or 2 ML and at low voltages, tunnelling takes place from the surface Ag substrate, and at large positive voltages Mg atoms are imaged. If defects, oxygen vacancies, are present on the surface of the oxide they introduce much easier channels for tunnelling resulting in big protrusions and controlling the shape of the image, the extra O stored at the interface can also be detected for very thin films.

Relativistische vier und zwei Spinor Finite Elemente Berechnungen zweiatomiger Moleküle

Der Vielelektronen Aspekt wird in einteilchenartigen Formulierungen berücksichtigt, entweder in Hartree-Fock Näherung oder unter dem Einschluß der Elektron-Elektron Korrelationen durch die Dichtefunktional Theorie. Da die Physik elektronischer Systeme (Atome, Moleküle, Cluster, Kondensierte Materie, Plasmen) relativistisch ist, habe ich von Anfang an die relativistische 4 Spinor Dirac Theorie eingesetzt, in jüngster Zeit aber, und das wird der hauptfortschritt in den relativistischen Beschreibung durch meine Promotionsarbeit werden, eine ebenfalls voll relativistische, auf dem sogenannten Minimax Prinzip beruhende 2-Spinor Theorie umgesetzt. Im folgenden ist eine kurze Beschreibung meiner Dissertation: Ein wesentlicher Effizienzgewinn in der relativistischen 4-Spinor Dirac Rechnungen konnte durch neuartige singuläre Koordinatentransformationen erreicht werden, so daß sich auch noch für das superschwere Th2 179+ hächste Lösungsgenauigkeiten mit moderatem Computer Aufwand ergaben, und zu zwei weiteren interessanten Veröffentlichungen führten (Publikationsliste). Trotz der damit bereits ermöglichten sehr viel effizienteren relativistischen Berechnung von Molekülen und Clustern blieben diese Rechnungen Größenordnungen aufwendiger als entsprechende nicht-relativistische. Diese behandeln das tatsächliche (relativitische) Verhalten elektronischer Systeme nur näherungsweise richtig, um so besser jedoch, je leichter die beteiligten Atome sind (kleine Kernladungszahl Z). Deshalb habe ich nach einem neuen Formalismus gesucht, der dem möglichst gut Rechnung trägt und trotzdem die Physik richtig relativistisch beschreibt. Dies gelingt durch ein 2-Spinor basierendes Minimax Prinzip: Systeme mit leichten Atomen sind voll relativistisch nunmehr nahezu ähnlich effizient beschrieben wie nicht-relativistisch, was natürlich große Hoffnungen für genaue (d.h. relativistische) Berechnungen weckt. Es ergab sich eine erste grundlegende Veröffentlichung (Publikationsliste). Die Genauigkeit in stark relativistischen Systemen wie Th2 179+ ist ähnlich oder leicht besser als in 4-Spinor Dirac-Formulierung. Die Vorteile der neuen Formulierung gehen aber entscheidend weiter: A. Die neue Minimax Formulierung der Dirac-Gl. ist frei von spuriosen Zuständen und hat keine positronischen Kontaminationen. B. Der Aufwand ist weit reduziert, da nur ein 1/3 der Matrix Elemente gegenüber 4-Spinor noch zu berechnen ist, und alle Matrixdimensionen Faktor 2 kleiner sind. C. Numerisch verhält sich die neue Formulierung ähnlilch gut wie die nichtrelativistische Schrödinger Gleichung (Obwohl es eine exakte Formulierung und keine Näherung der Dirac-Gl. ist), und hat damit bessere Konvergenzeigenschaften als 4-Spinor. Insbesondere die Fehlerwichtung (singulärer und glatter Anteil) ist in 2-Spinor anders, und diese zeigt die guten Extrapolationseigenschaften wie bei der nichtrelativistischen Schrödinger Gleichung. Die Ausweitung des Anwendungsbereichs von (relativistischen) 2-Spinor ist bereits in FEM Dirac-Fock-Slater, mit zwei Beispielen CO und N2, erfolgreich gemacht. Weitere Erweiterungen sind nahezu möglich. Siehe Minmax LCAO Nährung.

Polarization and correlation phenomena in the radiative electron capture by bare highly-charged ions

In dieser Arbeit wird die Wechselwirkung zwischen einem Photon und einem Elektron im starken Coulombfeld eines Atomkerns am Beispiel des radiativen Elektroneneinfangs beim Stoß hochgeladener Teilchen untersucht. In den letzten Jahren wurde dieser Ladungsaustauschprozess insbesondere für relativistische Ion–Atom–Stöße sowohl experimentell als auch theoretisch ausführlich erforscht. In Zentrum standen dabei haupsächlich die totalen und differentiellen Wirkungsquerschnitte. In neuerer Zeit werden vermehrt Spin– und Polarisationseffekte sowie Korrelationseffekte bei diesen Stoßprozessen diskutiert. Man erwartet, dass diese sehr empfindlich auf relativistische Effekte im Stoß reagieren und man deshalb eine hervorragende Methode zu deren Bestimmung erhält. Darüber hinaus könnten diese Messungen auch indirekt dazu führen, dass man die Polarisation des Ionenstrahls bestimmen kann. Damit würden sich neue experimentelle Möglichkeiten sowohl in der Atom– als auch der Kernphysik ergeben. In dieser Dissertation werden zunächst diese ersten Untersuchungen zu den Spin–, Polarisations– und Korrelationseffekten systematisch zusammengefasst. Die Dichtematrixtheorie liefert hierzu die geeignete Methode. Mit dieser Methode werden dann die allgemeinen Gleichungen für die Zweistufen–Rekombination hergeleitet. In diesem Prozess wird ein Elektron zunächst radiativ in einen angeregten Zustand eingefangen, der dann im zweiten Schritt unter Emission des zweiten (charakteristischen) Photons in den Grundzustand übergeht. Diese Gleichungen können natürlich auf beliebige Mehrstufen– sowie Einstufen–Prozesse erweitert werden. Im direkten Elektroneneinfang in den Grundzustand wurde die ”lineare” Polarisation der Rekombinationsphotonen untersucht. Es wurde gezeigt, dass man damit eine Möglichkeit zur Bestimmung der Polarisation der Teilchen im Eingangskanal des Schwerionenstoßes hat. Rechnungen zur Rekombination bei nackten U92+ Projektilen zeigen z. B., dass die Spinpolarisation der einfallenden Elektronen zu einer Drehung der linearen Polarisation der emittierten Photonen aus der Streuebene heraus führt. Diese Polarisationdrehung kann mit neu entwickelten orts– und polarisationsempfindlichen Festkörperdetektoren gemessen werden. Damit erhält man eine Methode zur Messung der Polarisation der einfallenden Elektronen und des Ionenstrahls. Die K–Schalen–Rekombination ist ein einfaches Beispiel eines Ein–Stufen–Prozesses. Das am besten bekannte Beispiel der Zwei–Stufen–Rekombination ist der Elektroneneinfang in den 2p3/2–Zustand des nackten Ions und anschließendem Lyman–1–Zerfall (2p3/2 ! 1s1/2). Im Rahmen der Dichte–Matrix–Theorie wurden sowohl die Winkelverteilung als auch die lineare Polarisation der charakteristischen Photonen untersucht. Beide (messbaren) Größen werden beträchtlich durch die Interferenz des E1–Kanals (elektrischer Dipol) mit dem viel schwächeren M2–Kanal (magnetischer Quadrupol) beeinflusst. Für die Winkelverteilung des Lyman–1 Zerfalls im Wasserstoff–ähnlichen Uran führt diese E1–M2–Mischung zu einem 30%–Effekt. Die Berücksichtigung dieser Interferenz behebt die bisher vorhandene Diskrepanz von Theorie und Experiment beim Alignment des 2p3/2–Zustands. Neben diesen Ein–Teichen–Querschnitten (Messung des Einfangphotons oder des charakteristischen Photons) wurde auch die Korrelation zwischen den beiden berechnet. Diese Korrelationen sollten in X–X–Koinzidenz–Messungen beobbachtbar sein. Der Schwerpunkt dieser Untersuchungen lag bei der Photon–Photon–Winkelkorrelation, die experimentell am einfachsten zu messen ist. In dieser Arbeit wurden ausführliche Berechnungen der koinzidenten X–X–Winkelverteilungen beim Elektroneneinfang in den 2p3/2–Zustand des nackten Uranions und beim anschließenden Lyman–1–Übergang durchgeführt. Wie bereits erwähnt, hängt die Winkelverteilung des charakteristischen Photons nicht nur vom Winkel des Rekombinationsphotons, sondern auch stark von der Spin–Polarisation der einfallenden Teilchen ab. Damit eröffnet sich eine zweite Möglichkeit zur Messung der Polaristion des einfallenden Ionenstrahls bzw. der einfallenden Elektronen.

Study of 3d - 4f and 3d - 5f quartet and doublet transitions of doubly excited three-electron ions

We present the first observation of optical transitions between doubly excited doublet states in the term systems N V, 0 VI and F VII. The spectra were produced by foil excitation of fast ion beams. The assignment of the spectral lines was made by comparison with the results of MCDP calculations along the isoelectronic sequence. The same method also led to the identification of two 3d - 4f quartet transitions in Mg X.

Further investigations on doubly excited four-electron ions: beam-foil experiment and MCDF theory

In continuation of our previous work on the quintet transitions 1s2s2p^2 ^5 P-1s2s2p3d ^5 P^0, ^5 D^0, results on other n = 2 - n' = 3 quintet transitions for elements N, 0 and F are presented. Assignments have been established by comparison with Multi-Configuration Dirac-Fock calculations. High spectral resolution on beam-foil spectroscopy was essential for the identification of most of the lines. For some of the quintet lines decay curves were measured, and the lifetimes extracted were found to be in reasonable agreement with MCDF calculations.

First results of experimental and theoretical investigations on sextet states of doubly-excited five-electron ions

In continuation of our previous work on doubly-excited ions with three and four electrons we present the first results on optical transitions in the term system of doubly-excited ions with five electrons. Transitions between such sextet states were identified in beam-foil spectra of the ions nitrogen, oxygen and fluorine. Assignments were first established by comparison with Multi-Configuration Dirac-Fock calculations. Later assignments were aided by Multi-Configuration Hartree-Fock calculations (see the contribution by G. Miecznik et al. in this issue). Decay curves were recorded for all six candidate lines. The lifetime results are compared to theoretical values which confirm most of the assignments qualitatively.