Quantum Monte Carlo study of electrostatic polarizabilities of H and He atoms /

The infinitesimal differential quantum Monte Carlo (QMC) technique is used to estimate electrostatic polarizabilities of the H and He atoms up to the sixth order in the electric field perturbation. All 542 different QMC estimators of the nonzero atomic polarizabilities are derived and used in order to decrease the statistical error and to obtain the maximum efficiency of the simulations. We are confident that the estimates are "exact" (free of systematic error): the two atoms are nodeless systems, hence no fixed-node error is introduced. Furthermore, we develope and use techniques which eliminate systematic error inherent when extrapolating our results to zero time-step and large stack-size. The QMC results are consistent with published accurate values obtained using perturbation methods. The precision is found to be related to the number of perturbations, varying from 2 to 4 significant digits.

Planar Topological Defects in Unconventional Superconductors

In this work, we consider the properties of planar topological defects in unconventional superconductors. Specifically, we calculate microscopically the interaction energy of domain walls separating degenerate ground states in a chiral p-wave fermionic superfluid. The interaction is mediated by the quasiparticles experiencing Andreev scattering at the domain walls. As a by-product, we derive a useful general expression for the free energy of an arbitrary nonuniform texture of the order parameter in terms of the quasiparticle scattering matrix. The thesis is structured as follows. We begin with a historical review of the theories of superconductivity (Sec. 1.1), which led the way to the celebrated Bardeen-Cooper- Schrieffer (BCS) theory (Sec. 1.3). Then we proceed to the treatment of superconductors with so-called "unconventional pairing" in Sec. 1.4, and in Sec. 1.5 we introduce the specific case of chiral p-wave superconductivity. After introducing in Sec. 2 the domain wall (DW) model that will be considered throughout the work, we derive the Bogoliubov-de Gennes (BdG) equations in Sec. 3.1, which determine the quasiparticle excitation spectrum for a nonuniform superconductor. In this work, we use the semiclassical (Andreev) approximation, and solve the Andreev equations (which are a particular case of the BdG equations) in Sec. 4 to determine the quasiparticle spectrum for both the single- and two-DW textures. The Andreev equations are derived in Sec. 3.2, and the formal properties of the Andreev scattering coefficients are discussed in the following subsection. In Sec. 5, we use the transfer matrix method to relate the interaction energy of the DWs to the scattering matrix of the Bogoliubov quasiparticles. This facilitates the derivation of an analytical expression for the interaction energy between the two DWs in Sec. 5.3. Finally, to illustrate the general applicability our method, we apply it in Sec. 6 to the interaction between phase solitons in a two-band s-wave superconductor.

Étude spectroscopique d'étoiles naines blanches riches en hélium de type DB et DBA

De nouveaux modèles d'atmosphère sont présentés, incluant les profils de raie d'hélium neutre améliorés de Beauchamp (1995) et le formalisme de probabilité d'occupation pour ce même atome. Ces modèles sont utilisés pour calculer une grille de spectres synthétiques correspondant à des atmosphères riches en hélium et contenant des traces d'hydrogène. Cette grille est utilisée pour déterminer les paramètres atmosphériques principaux des étoiles de notre échantillon, soient la température effective, la gravité de surface et l'abondance d'hydrogène. Notre échantillon contient des spectres visibles de haut rapport signal-sur-bruit pour 102 naines blanches riches en hélium, dont 29 ont été observés au cours de ce projet, ce qui en fait le plus grand échantillon de spectres de qualité de naines blanches riches en hélium. Des spectres synthétiques ont été calculés en utilisant différentes valeurs du paramètre α de la théorie de la longueur de mélange dans le but de calibrer empiriquement la valeur de ce paramètre pour les DB. Afin d'améliorer la précision sur les paramètres atmosphériques de quelques étoiles, nous avons utilisé des spectres couvrant la raie Hα pour mieux déterminer l'abondance d'hydrogène. Finalement, nous avons calculé la distribution de masse de notre échantillon et la fonction de luminosité des DB. La distribution de masse montre une coupure à 0.5 fois la masse solaire qui est prédite par les modèles d'évolution stellaire et dévoile une masse moyenne significativement plus élevée pour les étoiles de type DBA. La masse moyenne de l'ensemble des DB et DBA est très proche de celle des DA. La fonction de luminosité nous permet de calculer que le rapport du nombre de DB sur le nombre de DA vaut environ 25%.

Calculs de modèles d'atmosphères hors-ETL avec métaux pour les étoiles de type sdO : le cas particulier de SDSS J1600+0748

Nous présentons nos grilles de modèles d'atmosphères pour les étoiles sous-naines chaudes de type O (sdO) soit : des modèles classiques hors-ETL H, He, des modèles hors-ETL avec, en plus, du C, N, O et finalement des modèles incluant C, N, O, Fe. En utilisant les raies de Balmer et d'hélium dans le domaine du visible, nous avons fait des comparaisons entre les spectres théoriques de nos différentes grilles afin de caractériser les effets des métaux. On trouve que ces effets dépendent à la fois de la température et de la gravité. De plus, l'abondance d'hélium a une influence importante sur les effets des métaux; une abondance d'hélium faible (log N(He)/N(H) < -1,5) occasionne des effets assez importants alors qu'une abondance plus élevée tend à réduire ces mêmes effets. Nous avons aussi trouvé que l'ajout du fer (en abondance solaire) ne cause que des changements relativement faibles à la structure en température et, par le fait même, aux profils des raies d'hydrogène et d'hélium, par rapport aux changements déjà produits par le C, N, O (en abondance solaire). Nous avons utilisé nos grilles pour faire une analyse spectroscopique du spectre à haut signal sur bruit (180) et basse résolution (9 Å) de SDSS J160043.6+074802.9 obtenu au télescope Bok. Notre meilleure ajustement a été obtenu avec notre grille de spectres synthétiques incluant C, N, O et Fe en quantité solaire, menant aux paramètres suivants : Teff = 68 500 ± 1770 K, log g = 6,09 ± 0,07, and log N(He)/N(H) = -0,64 ± 0,05, où les incertitudes proviennent uniquement de la procédure d'ajustement. Ces paramètres atmosphériques, particulièrement la valeur de l'abondance d'hélium, placent notre étoile dans une région où les effets des métaux ne sont pas très marqués.

Analyse spectroscopique d'étoiles naines blanches riches en hydrogène(DA) : vers des modèles d'atmosphère améliorés sans paramètres libres

Le but de cette thèse est de raffiner et de mieux comprendre l'utilisation de la méthode spectroscopique, qui compare des spectres visibles de naines blanches à atmosphère riche en hydrogène (DA) à des spectres synthétiques pour en déterminer les paramètres atmosphériques (température effective et gravité de surface). Notre approche repose principalement sur le développement de modèles de spectres améliorés, qui proviennent eux-mêmes de modèles d'atmosphère de naines blanches de type DA. Nous présentons une nouvelle grille de spectres synthétiques de DA avec la première implémentation cohérente de la théorie du gaz non-idéal de Hummer & Mihalas et de la théorie unifiée de l'élargissement Stark de Vidal, Cooper & Smith. Cela permet un traitement adéquat du chevauchement des raies de la série de Balmer, sans la nécessité d'un paramètre libre. Nous montrons que ces spectres améliorés prédisent des gravités de surface qui sont plus stables en fonction de la température effective. Nous étudions ensuite le problème de longue date des gravités élevées pour les DA froides. L'hypothèse de Bergeron et al., selon laquelle les atmosphères sont contaminées par de l'hélium, est confrontée aux observations. À l'aide de spectres haute résolution récoltés au télescope Keck à Hawaii, nous trouvons des limites supérieures sur la quantité d'hélium dans les atmosphères de près de 10 fois moindres que celles requises par le scénario de Bergeron et al. La grille de spectres conçue dans ces travaux est ensuite appliquée à une nouvelle analyse spectroscopique de l'échantillon de DA du SDSS. Notre approche minutieuse permet de définir un échantillon plus propre et d'identifier un nombre important de naines blanches binaires. Nous déterminons qu'une coupure à un rapport signal-sur-bruit S/N > 15 optimise la grandeur et la qualité de l'échantillon pour calculer la masse moyenne, pour laquelle nous trouvons une valeur de 0.613 masse solaire. Finalement, huit nouveaux modèles 3D de naines blanches utilisant un traitement d'hydrodynamique radiative de la convection sont présentés. Nous avons également calculé des modèles avec la même physique, mais avec une traitement standard 1D de la convection avec la théorie de la longueur de mélange. Un analyse différentielle entre ces deux séries de modèles montre que les modèles 3D prédisent des gravités considérablement plus basses. Nous concluons que le problème des gravités élevées dans les naines blanches DA froides est fort probablement causé par une faiblesse dans la théorie de la longueur de mélange.

Relevé et analyse spectroscopiques d'étoiles naines blanches brillantes et riches en hydrogène

Nous présentons un relevé et une analyse spectroscopiques de plus de 1300 naines blanches brillantes (V < 17.5) et riches en hydrogène. Des spectres dans le domaine du visible avec un rapport signal-sur-bruit élevé ont été obtenus et les données ont ensuite été analysées avec notre méthode spectroscopique habituelle qui compare les profils observés des raies de Balmer à des spectres synthétiques calculés à partir de la dernière génération de modèles d’atmosphère. D’abord, nous présentons une analyse détaillée de 29 naines blanches de type DAO utilisant une nouvelle grille de modèles qui inclut du carbone, de l’azote et de l’oxygène aux abondances solaires. Nous démontrons que l’ajout de ces métaux dans les modèles d’atmosphère est essentiel pour surmonter le problème des raies de Balmer qui empêche un ajustement simultané de toutes les raies de Balmer avec des paramètres atmosphériques cohérents. Nous identifions également 18 naines blanches chaudes de type DA qui souffrent aussi du problème des raies de Balmer. Des spectres dans l’ultraviolet lointain obtenus des archives du satellite FUSE sont ensuite examinés pour démontrer qu’il existe une corrélation entre les abondances métalliques élevées et les cas du problème des raies de Balmer. Les conséquences de ces résultats pour toutes les naines blanches chaudes et riches en hydrogène sont discutées. En particulier, le scénario évolutif pour les naines blanches DAO est révisé et nous n’avons plus besoin d’évoquer l’évolution post-EHB pour expliquer la majorité des étoiles DAO. Finalement, nous élaborons un scénario dans lequel les métaux engendrent un faible vent stellaire qui expliquerait la présence d’hélium dans les étoiles DAO. Ensuite, nous présentons les résultats globaux de notre relevé, ce qui inclut une analyse spectroscopique de plus de 1200 naines blanches de type DA. En premier lieu, nous présentons le contenu spectroscopique de notre échantillon qui contient de nombreuses classifications erronées ainsi que plusieurs naines blanches de type DAB, DAZ et magnétiques. Nous discutons ensuite des nouveaux modèles d'atmosphère utilisés dans notre analyse. De plus, nous utilisons des modèles de naines M pour obtenir de meilleures valeurs des paramètres atmosphériques pour les naines blanches qui sont membres de systèmes binaires DA+dM. Certaines naines blanches uniques et quelques systèmes binaires double-dégénérées sont également analysés de manière plus détaillée. Nous examinons ensuite les propriétés globales de notre échantillon incluant la distribution de masse et la distribution de masse en fonction de la température. Nous étudions également la façon dont les nouveaux profils de raies de Balmer affectent la détermination des paramètres atmosphériques. Nous testons la précision et la robustesse de nos méthodes en comparant nos résultats avec ceux du projet SPY, dans le cadre duquel plus de 300 des mêmes naines blanches ont été analysées d'une manière complètement indépendante. Finalement, nous faisons un retour sur la bande d'instabilité des naines blanches pulsantes de type ZZ Ceti pour voir quels effets ont les nouveaux profils de raies sur la détermination de ses frontières empiriques.

Modèles d'atmosphères hors-ETL avec métaux : applications aux étoiles sous-naines chaudes

Avec la mise en place dans les dernières années d'une grappe d'ordinateurs (CALYS) dédiés aux calculs de modèles stellaires pour notre groupe de recherche, il nous est désormais possible d'exploiter à leur plein potentiel les modèles d'atmosphères hors équilibre thermodynamique local (HETL) en y incluant des éléments métalliques. Ce type de modèles, plutôt exigeant en temps de calcul, est toutefois essentiel pour analyser correctement les spectres d'étoiles chaudes comme les sous-naines de type O (sdO). Les travaux effectués dans le cadre de cette thèse ont comme point commun l'utilisation de tels modèles d'atmosphères pour faire l'analyse spectroscopique d'étoiles sous-naines chaudes dans des contextes variés. Le coeur de cette thèse porte sur Bd+28 4211, une étoile standard de type sdO très chaude, dans laquelle le problème des raies de Balmer, qui empêche de reproduire ces dernières avec une unique, et réaliste, combinaison de paramètres atmosphériques, est bien présent. Dans un premier temps nous présentons une analyse approfondie de son spectre ultraviolet (UV). Cela nous permet de déterminer les abondances de métaux dans l'atmosphère de l'étoile et de contraindre sa température effective et sa gravité de surface. Par la suite, ces résultats servent de point de départ à l'analyse du spectre optique de l'étoile, dans lequel le problème des raies de Balmer se fait sentir. Cette analyse nous permet de conclure que l'inclusion des abondances métalliques propres à l'étoile dans les modèles d'atmosphères HETL n'est pas suffisant pour surmonter le problème des raies de Balmer. Toutefois, en y incluant des abondances dix fois solaires, nous arrivons à reproduire correctement les raies de Balmer et d'hélium présentes dans les spectres visibles lors d'un ajustement de paramètres. De plus, les paramètres résultants concordent avec ceux indiqués par le spectre UV. Nous concluons que des sources d'opacité encore inconnues ou mal modélisées sont à la source de ce problème endémique aux étoiles chaudes. Par la suite nous faisons une étude spectroscopique de Feige 48, une étoile de type sdB pulsante particulièrement importante. Nous arrivons à reproduire très bien le spectre visible de cette étoile, incluant les nombreuses raies métalliques qui s'y trouvent. Les paramètres fondamentaux obtenus pour Feige 48 corroborent ceux déjà présents dans la littérature, qui ont été obtenus avec des types de modèles d'atmosphères moins sophistiqués, ce qui implique que les effets HETL couplés à la présence de métaux ne sont pas importants dans l'atmosphère de cette étoile particulière. Nous pouvons donc affirmer que les paramètres de cette étoile sont fiables et peuvent servir de base à une future étude astérosismologique quantitative. Finalement, 38 étoiles sous-naines chaudes appartenant à l'amas globulaire omega Centauri ont été analysées afin de déterminer, outre leur température et gravité de surface, leurs abondances d'hélium et de carbone. Nous montrons qu'il existe une corrélation entre les abondances photosphériques de ces deux éléments. Nous trouvons aussi des différences entre les étoiles riches en hélium de l'amas du celles du champ. Dans leur ensemble, nos résultats remettent en question notre compréhension du mécanisme de formation des sous-naines riches en hélium.

Space and time characterization of laser-induced plasmas for applications in chemical analysis and thin film deposition

Après des décennies de développement, l'ablation laser est devenue une technique importante pour un grand nombre d'applications telles que le dépôt de couches minces, la synthèse de nanoparticules, le micro-usinage, l’analyse chimique, etc. Des études expérimentales ainsi que théoriques ont été menées pour comprendre les mécanismes physiques fondamentaux mis en jeu pendant l'ablation et pour déterminer l’effet de la longueur d'onde, de la durée d'impulsion, de la nature de gaz ambiant et du matériau de la cible. La présente thèse décrit et examine l'importance relative des mécanismes physiques qui influencent les caractéristiques des plasmas d’aluminium induits par laser. Le cadre général de cette recherche forme une étude approfondie de l'interaction entre la dynamique de la plume-plasma et l’atmosphère gazeuse dans laquelle elle se développe. Ceci a été réalisé par imagerie résolue temporellement et spatialement de la plume du plasma en termes d'intensité spectrale, de densité électronique et de température d'excitation dans différentes atmosphères de gaz inertes tel que l’Ar et l’He et réactifs tel que le N2 et ce à des pressions s’étendant de 10‾7 Torr (vide) jusqu’à 760 Torr (pression atmosphérique). Nos résultats montrent que l'intensité d'émission de plasma dépend généralement de la nature de gaz et qu’elle est fortement affectée par sa pression. En outre, pour un délai temporel donné par rapport à l'impulsion laser, la densité électronique ainsi que la température augmentent avec la pression de gaz, ce qui peut être attribué au confinement inertiel du plasma. De plus, on observe que la densité électronique est maximale à proximité de la surface de la cible où le laser est focalisé et qu’elle diminue en s’éloignant (axialement et radialement) de cette position. Malgré la variation axiale importante de la température le long du plasma, on trouve que sa variation radiale est négligeable. La densité électronique et la température ont été trouvées maximales lorsque le gaz est de l’argon et minimales pour l’hélium, tandis que les valeurs sont intermédiaires dans le cas de l’azote. Ceci tient surtout aux propriétés physiques et chimiques du gaz telles que la masse des espèces, leur énergie d'excitation et d'ionisation, la conductivité thermique et la réactivité chimique. L'expansion de la plume du plasma a été étudiée par imagerie résolue spatio-temporellement. Les résultats montrent que la nature de gaz n’affecte pas la dynamique de la plume pour des pressions inférieures à 20 Torr et pour un délai temporel inférieur à 200 ns. Cependant, pour des pressions supérieures à 20 Torr, l'effet de la nature du gaz devient important et la plume la plus courte est obtenue lorsque la masse des espèces du gaz est élevée et lorsque sa conductivité thermique est relativement faible. Ces résultats sont confirmés par la mesure de temps de vol de l’ion Al+ émettant à 281,6 nm. D’autre part, on trouve que la vitesse de propagation des ions d’aluminium est bien définie juste après l’ablation et près de la surface de la cible. Toutefois, pour un délai temporel important, les ions, en traversant la plume, se thermalisent grâce aux collisions avec les espèces du plasma et du gaz.

Optical emission studies of C2 species in laser-produced plasma from carbon

Optical emission studies of C2 molecules in plasma obtained by Nd:YAG laser ablation of graphite in a helium atmosphere are reported for irradiances in the range (1–9:2/ x 1010 W cm−2. The characteristics of the spectral emission intensity from the C2 (Swan band) species have been investigated as functions of the distance from the target, ambient pressure and laser irradiance. Estimates of vibrational temperatures of C2 species under various irradiance conditions are made. Results of measurements performed under different ambient helium gas pressures are also discussed.

Optical emission studies of C2 species in laser-produced plasma from carbon

Optical emission studies of C2 molecules in plasma obtained by Nd:YAG laser ablation of graphite in a helium atmosphere are reported for irradiances in the range (1–9:2/ x 1010 W cm−2. The characteristics of the spectral emission intensity from the C2 (Swan band) species have been investigated as functions of the distance from the target, ambient pressure and laser irradiance. Estimates of vibrational temperatures of C2 species under various irradiance conditions are made. Results of measurements performed under different ambient helium gas pressures are also discussed.

Photoconductivity studies on some semiconducting thin films for photovoltaic applications

Photoconductivity (PC) processes may be the most suitable technique for obtaining information about the states in the gap. It finds applications in photovoItaics, photo detection and radiation measurements. The main task in the area of photovoltaics, is to increase the efficiency of the device and also to develop new materials with good optoelectronic properties useful for energy conversion, keeping the idea of cost effectiveness. Photoconduction includes generation and recombination of carriers and their transport to the electrodes. So thermal relaxation process, charge carrier statistics, effects of electrodes and several mechanisms of recombination are involved in photoconductivity.A major effect of trapping is to make the experimentally observed decay time of photocurrent, longer than carrier lifetime. If no trapping centers are present, then observed photocurrent will decay in the same way as the density of free carriers and the observed decay time will be equal to carrier lifetime. If the density of free carriers is much less than density of trapped carriers, the entire decay of photocurrent is effectively dominated by the rate of trap emptying rather than by the rate of recombination.In the present study, the decay time of carriers was measured using photoconductive decay (PCD) technique. For the measurements, the film was loaded in a liquid Helium cryostat and the temperature was controlled using Lakshore Auto tuning temperature controller (Model 321). White light was used to illuminate the required area of the sample. Heat radiation from the light source was avoided by passing the light beam through a water filter. The decay current. after switching off the illumination. was measured using a Kiethely 2000 multi meter. Sets of PCD measurements were taken varying sample temperature, sample preparation temperature, thickness of the film, partial pressure of Oxygen and concentration of a particular element in a compound. Decay times were calculated using the rate window technique, which is a decay sampling technique particularly suited to computerized analysis. For PCD curves with two well-defined regions, two windows were chosen, one at the fast decay region and the other at the slow decay region. The curves in a particular window were exponentially fitted using Microsoft Excel 2000 programme. These decay times were plotted against sample temperature and sample preparation temperature to study the effect of various defects in the film. These studies were done in order to optimize conditions of preparation technique so as to get good photosensitive samples. useful for photovoltaic applications.Materials selected for the study were CdS, In2Se3, CuIn2Se3 and CuInS2• Photoconductivity studies done on these samples are organised in six chapters including introduction and conclusion.

Influence of ambient gas on the temperature and density of laser produced carbon plasma

The effect of ambient gas on the dynamics of the plasma generated by laser ablation of a carbon target using 1.06 μm radiation from a Q-switched Nd:YAG laser has been investigated using a spectroscopic technique. The emission characteristics of the carbon plasma produced in argon, helium and air atmospheres are found to depend strongly on the nature and pressure of the surrounding gas. It has been observed that hotter and denser plasmas are formed in an argon atmosphere rather than in helium or air as an ambient.

Spatial analysis of C2 band emission from laser produced plasma

Time and space resolved spectroscopic studies of the molecular band emission from C2 are performed in the plasma produced by irradiating a graphite target with 1:06 m radiation from a Q-switched Nd:YAG laser. High-resolution spectra are recorded from points located at distances up to 15 mm from the target in the presence of ambient helium gas pressure. Depending on the laser irradiance, time of observation and position of the sampled volume of the plasma the features of the emission spectrum are found to change drastically. The vibrational temperature and population distribution in the different vibrational levels of C2 molecules have been evaluated as a function of distance for different time delays and laser irradiance. It is also found that the vibrational temperature of C2 molecules decreases with increasing helium pressure.

Emission characteristics and dynamics of C2 from laser produced graphite plasma

The emission features of laser ablated graphite plume generated in a helium ambient atmosphere have been investigated with time and space resolved plasma diagnostic technique. Time resolved optical emission spectroscopy is employed to reveal the velocity distribution of different species ejected during ablation. At lower values of laser fluences only a slowly propagating component of C2 is seen. At high fluences emission from C2 shows a twin peak distribution in time. The formation of an emission peak with diminished time delay giving an energetic peak at higher laser fluences is attributed to many body recombination. It is also observed that these double peaks get modified into triple peak time of flight distribution at distances greater than 16 mm from the target. The occurrence of multiple peaks in the C2 emission is mainly due to the delays caused from the different formation mechanism of C2 species. The velocity distribution of the faster peak exhibits an oscillating character with distance from the target surface.

Effect of ambient gas on the expansion dynamics of plasma plume formed by laser blow off of thin film

A study has been carried out to understand the influence of ambient gases on the dynamics of laser-blow-off plumes of multi-layered LiF–C thin film. Plume images at various time intervals ranging from 100 to 3000 ns have been recorded using an intensified CCD camera. Enhancement in the plume intensity and change in size and shape occurs on introducing ambient gases and these changes are highly dependent on the nature and composition of the ambient gas used. Velocity of the plume was found to be higher in helium ambient whereas intensity enhancement is greater in argon environment. The plume shapes have maximum size at 10−2 and 10−1 Torr of Ar and He pressures, respectively. As the background pressure increases further (>10−2 Torr: depending on the nature of gas), the plume gets compressed/focused in the lateral direction. Internal structure formation and turbulences are observed at higher pressures (>10−1 Torr) in both ambient gases.