Investigating ferromagnetism and charge order in Bi1-xSrxMnO3(x<0.3)ceramic oxides.

The possible coexistence of ferromagnetism and charge/orbital order in Bi3/4Sr1/4MnO3 has been investigated. The manganite Bi0.75Sr0.25MnO3, with commensurate charge balance, undergoes an electronic transition at TCO~600 K that produces a longrange modulation with double periodicity along a and c axis, and unusual anisotropic evolution of the lattice parameters. The previously proposed ferromagnetic properties of this new ordered phase were studied by magnetometry and diffraction techniques. In zero field the magnetic structure is globally antiferromagnetic, ruling out the apparition of spontaneous ferromagnetism. However, the application of magnetic fields produces a continuous progressive canting of the moments, inducing a ferromagnetic phase even for relatively small fields (H<<1 T). Application of pulsed high fields produces a remarkable and reversible spin polarization (under 30 T, the ferromagnetic moment is ~3 ¿B/Mn, without any sign of charge order melting). The coexistence of ferromagnetism and charge order at low and very-high fields is a remarkable property of this system.

Études des interactions détergents/lipides dans les systèmes membranaires

Les liposomes sont des structures sphériques formés par l'auto-assemblage de molécules amphiphiles sous forme d'une bicouche. Cette bicouche sépare le volume intérieur du liposome du milieu extérieur, de la même manière que les membranes cellulaires. Les liposomes sont donc des modèles de membranes cellulaires et sont formulés pour étudier les processus biologiques qui font intervenir la membrane (transport de molécules à travers la membrane, effets des charges en surface, interactions entre la matrice lipidique et d'autres molécules, etc.). Parce qu'ils peuvent encapsuler une solution aqueuse en leur volume intérieur, ils sont aussi utilisés aujourd'hui comme nanovecteurs de principes actifs. Nous avons formulé des liposomes non-phospholipidiques riches en stérol que nous avons appelés stérosomes. Ces stérosomes sont composés d'environ 30 % d'amphiphiles monoalkylés et d'environ 70 % de stérols (cholestérol, Chol, et/ou sulfate de cholestérol, Schol). Quand certaines conditions sont respectées, ces mélanges sont capables de former une phase liquide ordonnée (Lo) pour donner, par extrusion, des vésicules unilamellaires. Certaines de ces nouvelles formulations ont été fonctionnalisées de manière à libérer leur contenu en réponse à un stimulus externe. En incorporant des acides gras dérivés de l’acide palmitique possédant différents pKa, nous avons pu contrôler le pH auquel la libération débute. Un modèle mathématique a été proposé afin de cerner les paramètres régissant leur comportement de libération. En incorporant un amphiphile sensible à la lumière (un dérivé de l’azobenzène), les liposomes formés semblent répondre à une radiation lumineuse. Pour ce système, il serait probablement nécessaire de tracer le diagramme de phase du mélange afin de contrôler la photo-libération de l’agent encapsulé. Nous avons aussi formulé des liposomes contenant un amphiphile cationique (le chlorure de cétylpyridinium). En tant que nanovecteurs, ces stérosomes montrent un potentiel intéressant pour la libération passive ou contrôlée de principes actifs. Pour ces systèmes, nous avons développé un modèle pour déterminer l’orientation des différentes molécules dans la bicouche. La formation de ces nouveaux systèmes a aussi apporté de nouvelles connaissances dans le domaine des interactions détergents-lipides. Aux nombreux effets du cholestérol (Chol) sur les systèmes biologiques, il faut ajouter maintenant que les stérols sont aussi capables de forcer les amphiphiles monoalkylés à former des bicouches. Cette nouvelle propriété peut avoir des répercussions sur notre compréhension du fonctionnement des systèmes biologiques. Enfin, les amphiphiles monoalkylés peuvent interagir avec la membrane et avoir des répercussions importantes sur son fonctionnement. Par exemple, l'effet antibactérien de détergents est supposé être dû à leur insertion dans la membrane. Cette insertion est régie par l'affinité existant entre le détergent et cette dernière. Dans ce cadre, nous avons voulu développer une nouvelle méthode permettant d'étudier ces affinités. Nous avons choisi la spectroscopie Raman exaltée de surface (SERS) pour sa sensibilité. Les hypothèses permettant de déterminer cette constante d’affinité se basent sur l’incapacité du détergent à exalter le signal SERS lorsque le détergent est inséré dans la membrane. Les résultats ont été comparés à ceux obtenus par titration calorimétrique isotherme (ITC). Les résultats ont montré des différences. Ces différences ont été discutées.

Novel non phospholipid liposomes with high sterol content : development and characterization

Les liposomes sont des nanovecteurs polyvalents et prometteurs quant à leur utilisation dans plusieurs domaines. Il y a une décennie, un nouveau type de liposome constitué d’amphiphiles monoalkylés et de stérols est né fortuitement dans notre groupe. Ils sont nommés Stérosomes puisqu’ils contiennent une grande proportion de stérols, entre 50 et 70 mol %. Les objectifs de cette thèse sont de développer de nouvelles formulations de Stérosomes ayant des caractéristiques spécifiques et d’acquérir une compréhension plus profonde des règles physicochimiques qui dictent leur comportement de phase. Nous avons spécifiquement examiné le rôle de motifs moléculaires des stérols, de la charge interfaciale et de la capacité à former des liaisons H dans les interactions intermoléculaires menant à l’autoassemblage. Le comportement de phase a été caractérisé par calorimétrie différentielle à balayage (DSC), par spectroscopie infrarouge (IR) et par spectroscopie de résonance magnétique nucléaire du deutérium (²H NMR). Premièrement, nous avons établi certaines corrélations entre la structure des stérols, leur tendance à former des bicouches fluides en présence d'amphiphile monoalkylé et la perméabilité des grandes vésicules unilamellaires (LUV) formées. La nature des stérols module les propriétés de mélange avec de l’acide palmitique (PA). Les stérols portant une chaîne volumineuse en position C17 sont moins aptes à induire des bicouches fluides que ceux qui ont une chaîne plus simple, comme celle du cholestérol. Un grand ordre de la chaîne alkyle de PA est un effet commun à tous les stérols investigués. Il a été démontré que la perméabilité des LUV peut être contrôlée en utilisant des stérols différents. Cependant, ces stérols n’ont aucun impact significatif sur la sensibilité des Stérosomes au pH. Afin de créer des liposomes qui sont sensibles au pH et qui ont une charge positive à la surface, des Stérosomes composés de stéarylamine et de cholestérol (Chol) ont été conçus et caractérisés. Il a été conclu que l’état de protonation de l’amine, dans ce travail, ou du groupe carboxylique, dans un travail précédent, confère une sensibilité au pH et détermine la charge à la surface du liposome. Les premiers Stérosomes complètement neutres ont été fabriqués en utilisant un réseau de fortes liaisons H intermoléculaires. Le groupe sulfoxyde est capable de former de fortes liaisons H avec le cholestérol et les molécules d’eau. Une bicouche fluide métastable a été obtenue, à la température de la pièce, à partir d'un mélange équimolaire d’octadécyl méthyl sulfoxyde (OMSO) et de Chol. Ce comportement distinct a permis d’extruder le mélange pour former des LUV à la température de la pièce. Après 30 h, le temps de vie de la phase métastable, des Stérosomes stables et imperméables existaient toujours sous une forme solide. Un diagramme de température-composition a été proposé afin de résumer le comportement de phase des mélanges d’OMSO/Chol. Finalement, nous avons élaboré des Stérosomes furtifs en incorporant du polyéthylène glycol (PEG) avec une ancre de cholestérol (PEG-Chol) à l’interface de Stérosomes de PA/Chol. Jusqu’à 20 mol % de PEG-Chol peut être introduit sans perturber la structure de la bicouche. La présence du PEG-Chol n’a aucun impact significatif sur la perméabilité de la LUV. L'encapsulation active de la doxorubicine, un médicament contre le cancer, a été réalisée malgré la faible perméabilité de ces LUV et la présence du PEG à l’interface. L’inclusion de PEG a modifié considérablement les propriétés de l’interface et a diminué la libération induite par la variation de pH observée avec des LUV nues de PA/Chol. Cette formulation inédite est potentiellement utile pour l’administration intraveineuse de médicaments.

Caractérisation et modélisation de l’aimant organique NIT-2Py

L'aimant organique NIT-2Py a été caractérisé expérimentalement et ses propriétés ont été simulées numériquement à partir de la théorie de la fonctionnelle de la densité. Le magnétisme dans ce matériau provient de la présence d'un électron non apparié sur chaque molécule qui a ainsi un moment magnétique non nul. Ceci a été confirmé par des simulations sur une molécule isolée. Les molécules de NIT-2Py cristallisent dans le groupe d'espace P21/c avec huit molécules par maille élémentaire pour former la structure cristalline Alpha étudiée dans ce document. Le moment effectif de la susceptibilité et l'entropie magnétique totale montre que ce matériau est un système de spins 1/2 avec un spin par molécule. Les mesures de chaleur spécifique ont mis en évidence la présence de deux phases magnétiques ordonnées à basse température qui sont séparées par un plateau en aimantation. Une première phase est observée à des champs magnétiques inférieurs à 2.2 T et a une température de transition de 1.32 K en champ nul. Les mesures de susceptibilité magnétique et d'aimantation ont permis d'établir que cette phase ordonnée est antiferromagnétique. Ceci est confirmé par les simulations numériques. La deuxième phase est induite par le champ magnétique avec une température de transition de 0.53 K à 6 T. L'information disponible sur cette phase est limitée et l'étude du système à l'extérieur des phases ordonnées en donne une meilleure compréhension. Un modèle de spins S=1/2 isolés et de dimères S=0 isolés reproduit bien les mesures d'aimantation et de chaleur spécifique au-dessus de 3 K. L'application d'un champ magnétique réduit l'écart d'énergie entre le singulet et le triplet du dimère jusqu'au croisement qui se produit à 6 T. La phase induite émerge précisément à ce croisement et on spécule l'existence d'un condensat de Bose-Einstein des états triplets.

Solid phases of cyclopentane: combined experimental and simulation study

The phase diagram of cyclopentane has been studied by powder neutron diffraction, providing diffraction patterns for phases I, II, and III, over a range of temperatures and pressures. The putative phase IV was not observed. The structure of the ordered phase III has been solved by single-crystal diffraction. Computational modeling reveals that there are many equienergetic ordered structures for cyclopentane within a small energy range. Molecular dynamics simulations reproduce the structures and diffraction patterns for phases I and III and also show an intermediate disordered phase, which is used to interpret phase II.

A ferromagnetic methoxido-bridged Mn(III) dimer and a spin-canted metamagnetic μ1,3-azido-bridged chain

Two new Mn(III) complexes of formulas [MnL1(N-3)(OMe)](2) (1) and [MnL2(N-3)(2)](n) (2) have been synthesized by using two tridentate NNO-donor Schiff base ligands HL1{(2-[(3-methylaminoethylimino)-methyl]-phenol)} and HL2 {(2-[1-(2-dimethylaminoethylimino)methyl]-phenol)}, respectively. Substitution of the H atom on the secondary amine group of the N-methyldiamine fragment of the Schiff base by a methyl group leads to a drastic structural change from a methoxido-bridged dimer (1) to a single mu(1,3)-azido-bridged 1D helical polymer (2). Both complexes were characterized by single-crystal X-ray structural analyses and variable-temperature magnetic susceptibility measurements. The magnetic properties of compound I show the presence of weak ferromagnetic exchange interactions mediated by double methoiddo bridges (J = 0.95 cm(-1)). Compound 2 shows the existence of a weak antiferromangetic coupling along the chain (J = -8.5 cm(-1)) through the single mu(1,3)-N-3 bridge with a spin canting that leads to a long-range antiferromagnetic order at T-c approximate to 9.3 K and a canting leading to a weak ferromagnetic long-range order at T-c approximate to 8.5 K. It also exibits metamagnetic behavior at low temperatures with a critical field of ca.1.2 T due to the weak antiferromagnetic interchain interactions that appear in the canted ordered phase.

Temperature-dependent orientational ordering on a spherical surface modeled with a lattice spin model

We study the orientational ordering on the surface of a sphere using Monte Carlo and Brownian dynamics simulations of rods interacting with an anisotropic potential. We restrict the orientations to the local tangent plane of the spherical surface and fix the position of each rod to be at a discrete point on the spherical surface. On the surface of a sphere, orientational ordering cannot be perfectly nematic due to the inevitable presence of defects. We find that the ground state of four +1/2 point defects is stable across a broad range of temperatures. We investigate the transition from disordered to ordered phase by decreasing the temperature and find a very smooth transition. We use fluctuations of the local directors to estimate the Frank elastic constant on the surface of a sphere and compare it to the planar case. We observe subdiffusive behavior in the mean square displacement of the defect cores and estimate their diffusion constants.

Cobalt incorporation in calcite: Thermochemistry of (Ca,Co)CO3 solid solutions from density functional theory simulations

The incorporation of cobalt in mixed metal carbonates is a possible route to the immobilization of this toxic element in the environment. However, the thermodynamics of (Ca,Co)CO3 solid solutions are still unclear due to conflicting data from experiment and from the observation of natural ocurrences. We report here the results of a computer simulation study of the mixing of calcite (CaCO3) and spherocobaltite (CoCO3), using density functional theory calculations. Our simulations suggest that previously proposed thermodynamic models, based only on the range of observed compositions, significantly overestimate the solubility between the two solids and therefore underestimate the extension of the miscibility gap under ambient conditions. The enthalpy of mixing of the disordered solid solution is strongly positive and moderately asymmetric: calcium incorporation in spherocobaltite is more endothermic than cobalt incorporation in calcite. Ordering of the impurities in (0001) layers is energetically favourable with respect to the disordered solid solution at low temperatures and intermediate compositions, but the ordered phase is still unstable to demixing. We calculate the solvus and spinodal lines in the phase diagram using a sub-regular solution model, and conclude that many Ca1-xCoxCO3 mineral solid solutions (with observed compositions of up to x=0.027, and above x=0.93) are metastable with respect to phase separation. We also calculate solid/aqueous distribution coefficients to evaluate the effect of the strong non-ideality of mixing on the equilibrium with aqueous solution, showing that the thermodynamically-driven incorporation of cobalt in calcite (and of calcium in spherocobaltite) is always very low, regardless of the Co/Ca ratio of the aqueous environment.

Lipid bilayer pre-transition as the beginning of the melting process

We investigate the bilayer pre-transition exhibited by some lipids at temperatures below their main phase transition, and which is generally associated to the formation of periodic ripples in the membrane. Experimentally we focus on the anionic lipid dipalmytoylphosphatidylglycerol (DPPG) at different ionic strengths, and on the neutral lipid dipalmytoylphosphatidylcholine (DPPC). From the analysis of differential scanning calorimetry traces of the two lipids we find that both pre- and main transitions are part of the same melting process. Electron spin resonance of spin labels and excitation generalized polarization of Laurdan reveal the coexistence of gel and fluid domains at temperatures between the pre- and main transitions of both lipids, reinforcing the first finding. Also, the melting process of DPPG at low ionic strength is found to be less cooperative than that of DPPC. From the theoretical side, we introduce a statistical model in which a next-nearest-neighbor competing interaction is added to the usual two-state model. For the first time, modulated phases (ordered and disordered lipids periodically aligned) emerge between the gel and fluid phases as a natural consequence of the competition between lipid-lipid interactions. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

Excitonic instabilities and spontaneous time-reversal symmetry breaking on the honeycomb lattice

We elucidate the close relationship between spontaneous time-reversal symmetry breaking and the physics of excitonic instabilities in strongly correlated multiband systems. The underlying mechanism responsible for the spontaneous breaking of time-reversal symmetry in a many-body system is closely related to the Cooper-like pairing instability of interband particle-hole pairs involving higher-order symmetries. Studies of such pairing instabilities have, however, mainly focused on the mean-field aspects of the virtual exciton condensate, which ignores the presence of the underlying collective Fermi-liquid excitations. We show that this relationship can be exploited to systematically derive the coupling of the condensate order parameter to the intraband Fermi-liquid particle-hole excitations. Surprisingly, we find that the static susceptibility is negative in the ordered phase when the coupling to the Fermi-liquid collective excitations are included, suggesting that a uniform condensate of virtual excitons, with or without time-reversal breaking, is an unstable phase at T = 0.

Hard X-ray photoemission study of the Fabre salts (TMTTF)(2)X (X = SbF6 and PF6)

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Magnetic Tuning of All-Organic Binary Alloys between Two Stable Radicals

Mixtures of 2-(4,5,6,7-tetrafluorobenzimidazol-2-yl)-4,4,5,5-tetramethyl-4,5-dihydro-1H-imidazole-3-oxide-1-oxyl (F4BImNN) and 2-(benzi-midazol-2-yl)-4,4,5,5-tetramethyl-4,5-dihydro-1H-imidazole-3-oxide-1-oxyl (BImNN.) crystallize as solid solutions (alloys) across a wide range of binary compositions. (F4BImNN)(x)(BImNN)((1-x)) with x < 0.8 gives orthorhombic unit cells, while x >= 0.9 gives monoclinic unit cells. In all crystalline samples, the dominant intermolecular packing is controlled by one-dimensional (1D) hydrogen-bonded chains that lead to quasi-1D ferromagnetic behavior. Magnetic analysis over 0.4-300 K indicates ordering with strong 1D ferromagnetic exchange along the chains (J/k = 12-22 K). Interchain exchange is estimated to be 33- to 150-fold weaker, based on antiferromagnetic ordered phase formation below Neel temperatures in the 0.4-1.2 K range for the various compositions. The ordering temperatures of the orthorhombic samples increase linearly as (1 - x) increases from 0.25 to 1.00. The variation is attributed to increased interchain distance corresponding to decreased interchain exchange, when more F4BImNN is added into the orthorhombic lattice. The monoclinic samples are not part of the same trend, due to the different interchain arrangement associated with the phase change.

Entropy Production in Nonequilibrium Systems at Stationary States

We present a stochastic approach to nonequilibrium thermodynamics based on the expression of the entropy production rate advanced by Schnakenberg for systems described by a master equation. From the microscopic Schnakenberg expression we get the macroscopic bilinear form for the entropy production rate in terms of fluxes and forces. This is performed by placing the system in contact with two reservoirs with distinct sets of thermodynamic fields and by assuming an appropriate form for the transition rate. The approach is applied to an interacting lattice gas model in contact with two heat and particle reservoirs. On a square lattice, a continuous symmetry breaking phase transition takes place such that at the nonequilibrium ordered phase a heat flow sets in even when the temperatures of the reservoirs are the same. The entropy production rate is found to have a singularity at the critical point of the linear-logarithm type.

Bose glass and Mott glass of quasiparticles in a doped quantum magnet

The low-temperature states of bosonic fluids exhibit fundamental quantum effects at the macroscopic scale: the best-known examples are Bose-Einstein condensation and superfluidity, which have been tested experimentally in a variety of different systems. When bosons interact, disorder can destroy condensation, leading to a 'Bose glass'. This phase has been very elusive in experiments owing to the absence of any broken symmetry and to the simultaneous absence of a finite energy gap in the spectrum. Here we report the observation of a Bose glass of field-induced magnetic quasiparticles in a doped quantum magnet (bromine-doped dichloro-tetrakis-thiourea-nickel, DTN). The physics of DTN in a magnetic field is equivalent to that of a lattice gas of bosons in the grand canonical ensemble; bromine doping introduces disorder into the hopping and interaction strength of the bosons, leading to their localization into a Bose glass down to zero field, where it becomes an incompressible Mott glass. The transition from the Bose glass (corresponding to a gapless spin liquid) to the Bose-Einstein condensate (corresponding to a magnetically ordered phase) is marked by a universal exponent that governs the scaling of the critical temperature with the applied field, in excellent agreement with theoretical predictions. Our study represents a quantitative experimental account of the universal features of disordered bosons in the grand canonical ensemble.

Non-mean-field effects in systems with long-range forces in competition

We investigate the canonical equilibrium of systems with long-range forces in competition. These forces create a modulation in the interaction potential and modulated phases appear at the system scale. The structure of these phases differentiate this system from monotonic potentials, where only the mean-field and disordered phases exist. With increasing temperature, the system switches from one ordered phase to another through a first-order phase transition. Both mean-field and modulated phases may be stable, even at zero temperature, and the long-range nature of the interaction will lead to metastability characterized by extremely long time scales.