On the formulation and the calculation of the harmonic contributions to the Debye-Waller factor in metals (sodium)

The algebraic expressions for the anharmonic contributions to the Debye-Waller factor up to 0(A ) and 0 L% ) £ where ^ is the scattering wave-vector] have been derived in a form suitable for cubic metals with small ion cores where the interatomic potential extends to many neighbours. This has been achieved in terms of various wave-vector dependent tensors, following the work of Shukla and Taylor (1974) on the cubic anharmonic Helmholtz free energy. The contribution to the various wave-vector dependent tensors from the coulomb and the electron-ion terms in the interatomic metallic potential has been obtained by the Ewald procedure. All the restricted multiple whole B r i l l o u i n zone (B.Z.) sums are reduced to single whole B.Z. sums by using the plane wave representation of the delta function. These single whole B.Z. sums are further reduced to the •%?? portion of the B.Z. following Shukla and Wilk (1974) and Shukla and Taylor (1974). Numerical calculations have been performed for sodium where the Born-Mayer term in the interatomic potential has been neglected because i t is small £ Vosko (1964)3 • *n o^er to compare our calculated results with the experimental results of Dawton (1937), we have also calculated the r a t io of the intensities at different temperatures for the lowest five reflections (110), (200), (220), (310) and (400) . Our calculated quasi-harmonic results agree reasonably well with the experimental results at temperatures (T) of the order of the Debye temperature ( 0 ). For T » © ^ 9 our calculated anharmonic results are found to be in good agreement with the experimental results.The anomalous terms in the Debye-Waller factor are found not to be negligible for certain reflections even for T ^ ©^ . At temperature T yy Op 9 where the temperature is of the order of the melting temperature (Xm) » "the anomalous terms are found to be important almost for all the f i ve reflections.

Étude théorique des mécanismes de transfert d'énergie suivant le passage d'un ion rapide sans un matériau

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Performance of Gabion Faced Reinforced Earth Retaining Walls

Gabion faced re.taining walls are essentially semi rigid structures that can generally accommodate large lateral and vertical movements without excessive structural distress. Because of this inherent feature, they offer technical and economical advantage over the conventional concrete gravity retaining walls. Although they can be constructed either as gravity type or reinforced soil type, this work mainly deals with gabion faced reinforced earth walls as they are more suitable to larger heights. The main focus of the present investigation was the development of a viable plane strain two dimensional non linear finite element analysis code which can predict the stress - strain behaviour of gabion faced retaining walls - both gravity type and reinforced soil type. The gabion facing, backfill soil, In - situ soil and foundation soil were modelled using 20 four noded isoparametric quadrilateral elements. The confinement provided by the gabion boxes was converted into an induced apparent cohesion as per the membrane correction theory proposed by Henkel and Gilbert (1952). The mesh reinforcement was modelled using 20 two noded linear truss elements. The interactions between the soil and the mesh reinforcement as well as the facing and backfill were modelled using 20 four noded zero thickness line interface elements (Desai et al., 1974) by incorporating the nonlinear hyperbolic formulation for the tangential shear stiffness. The well known hyperbolic formulation by Ouncan and Chang (1970) was used for modelling the non - linearity of the soil matrix. The failure of soil matrix, gabion facing and the interfaces were modelled using Mohr - Coulomb failure criterion. The construction stages were also modelled.Experimental investigations were conducted on small scale model walls (both in field as well as in laboratory) to suggest an alternative fill material for the gabion faced retaining walls. The same were also used to validate the finite element programme developed as a part of the study. The studies were conducted using different types of gabion fill materials. The variation was achieved by placing coarse aggregate and quarry dust in different proportions as layers one above the other or they were mixed together in the required proportions. The deformation of the wall face was measured and the behaviour of the walls with the variation of fill materials was analysed. It was seen that 25% of the fill material in gabions can be replaced by a soft material (any locally available material) without affecting the deformation behaviour to large extents. In circumstances where deformation can be allowed to some extents, even up to 50% replacement with soft material can be possible.The developed finite element code was validated using experimental test results and other published results. Encouraged by the close comparison between the theory and experiments, an extensive and systematic parametric study was conducted, in order to gain a closer understanding of the behaviour of the system. Geometric parameters as well as material parameters were varied to understand their effect on the behaviour of the walls. The final phase of the study consisted of developing a simplified method for the design of gabion faced retaining walls. The design was based on the limit state method considering both the stability and deformation criteria. The design parameters were selected for the system and converted to dimensionless parameters. Thus the procedure for fixing the dimensions of the wall was simplified by eliminating the conventional trial and error procedure. Handy design charts were developed which would prove as a hands - on - tool to the design engineers at site. Economic studies were also conducted to prove the cost effectiveness of the structures with respect to the conventional RCC gravity walls and cost prediction models and cost breakdown ratios were proposed. The studies as a whole are expected to contribute substantially to understand the actual behaviour of gabion faced retaining wall systems with particular reference to the lateral deformations.

Magnetic-field dependence of hole levels in self-assembled InGaAs quantum dots

Recent magnetotransport experiments of holes in InGaAs quantum dots [D. Reuter, P. Kailuweit, A. D. Wieck, U. Zeitler, O. Wibbelhoff, C. Meier, A. Lorke, and J. C. Maan, Phys. Rev. Lett. 94, 026808 (2005)] are interpreted by employing a multiband k¿p Hamiltonian, which considers the interaction between heavy hole and light hole subbands explicitly. No need of invoking an incomplete energy shell filling is required within this model. The crucial role we ascribe to the heavy hole-light hole interaction is further supported by one-band local-spin-density functional calculations, which show that Coulomb interactions do not induce any incomplete hole shell filling and therefore cannot account for the experimental magnetic field dispersion.

Anomalous crossover between thermal and shot noise in macroscopic diffusive conductors

We predict the existence of an anomalous crossover between thermal and shot noise in macroscopic diffusive conductors. We first show that, besides thermal noise, these systems may also exhibit shot noise due to fluctuations of the total number of carriers in the system. Then we show that at increasing currents the crossover between the two noise behaviors is anomalous, in the sense that the low-frequency current spectral density displays a region with a superlinear dependence on the current up to a cubic law. The anomaly is due to the nontrivial coupling in the presence of the long-range Coulomb interaction among the three time scales relevant to the phenomenon, namely, diffusion, transit, and dielectric relaxation time.

Shot noise anomalies in elastic nondegenerate diffusive conductors

We present a theoretical investigation of shot-noise properties in nondegenerate elastic diffusive conductors. Both Monte Carlo simulations and analytical approaches are used. Two interesting phenomena are found: (i) the display of enhanced shot noise for given energy dependences of the scattering time, and (ii) the recovery of full shot noise for asymptotic high applied bias. The first phenomenon is associated with the onset of negative differential conductivity in energy space that drives the system towards a dynamical electrical instability in excellent agreement with analytical predictions. The enhancement is found to be strongly amplified when the dimensionality in momentum space is lowered from three to two dimensions. The second phenomenon is due to the suppression of the effects of long-range Coulomb correlations that takes place when the transit time becomes the shortest time scale in the system, and is common to both elastic and inelastic nondegenerate diffusive conductors. These phenomena shed different light in the understanding of the anomalous behavior of shot noise in mesoscopic conductors, which is a signature of correlations among different current pulses.

Impedance field and transition from thermal to shot noise in Cd1-xZnxTe semi-insulating Ohmic detectors

Within a drift-diffusion model we investigate the role of the self-consistent electric field in determining the impedance field of a macroscopic Ohmic (linear) resistor made by a compensated semi-insulating semiconductor at arbitrary values of the applied voltage. The presence of long-range Coulomb correlations is found to be responsible for a reshaping of the spatial profile of the impedance field. This reshaping gives a null contribution to the macroscopic impedance but modifies essentially the transition from thermal to shot noise of a macroscopic linear resistor. Theoretical calculations explain a set of noise experiments carried out in semi-insulating CdZnTe detectors.

Diffusive transport properties in monovalent and divalent metal-ion halide melts: A computer simulation study

Self- and cross-velocity correlation functions and related transport coefficients of molten salts are studied by molecular-dynamics simulation. Six representative systems are considered, i.e., NaCl and KCl alkali halides, CuCl and CuBr noble-metal halides, and SrCl2 and ZnCl2 divalent metal-ion halides. Computer simulation results are compared with experimental self-diffusion coefficients and electrical conductivities. Special attention is paid to dynamic cross correlations and their dependence on the Coulomb interactions as well as on the size and mass differences between anions and cations.

Self-consistent theory of current and voltage noise in multimode ballistic conductors

Electron transport in a self-consistent potential along a ballistic two-terminal conductor has been investigated. We have derived general formulas which describe the nonlinear current-voltage characteristics, differential conductance, and low-frequency current and voltage noise assuming an arbitrary distribution function and correlation properties of injected electrons. The analytical results have been obtained for a wide range of biases: from equilibrium to high values beyond the linear-response regime. The particular case of a three-dimensional Fermi-Dirac injection has been analyzed. We show that the Coulomb correlations are manifested in the negative excess voltage noise, i.e., the voltage fluctuations under high-field transport conditions can be less than in equilibrium.

Shot-noise spectroscopy of energy resolved ballistic currents

We investigate the shot noise of nonequilibrium carriers injected into a ballistic conductor and interacting via long-range Coulomb forces. Coulomb interactions are shown to act as an energy analyzer of the profile of injected electrons by means of the fluctuations of the potential barrier at the emitter contact. We show that the details in the energy profile can be extracted from shot-noise measurements in the Coulomb interaction regime, but cannot be obtained from time-averaged quantities or shot-noise measurements in the absence of interactions.

Heat transfer between nanoparticles: Thermal conductance for near-field interactions

We analyze the heat transfer between two nanoparticles separated by a distance lying in the near-field domain in which energy interchange is due to the Coulomb interactions. The thermal conductance is computed by assuming that the particles have charge distributions characterized by fluctuating multipole moments in equilibrium with heat baths at two different temperatures. This quantity follows from the fluctuation-dissipation theorem for the fluctuations of the multipolar moments. We compare the behavior of the conductance as a function of the distance between the particles with the result obtained by means of molecular dynamics simulations. The formalism proposed enables us to provide a comprehensive explanation of the marked growth of the conductance when decreasing the distance between the nanoparticles.

Two-photon ionization of atomic inner-shells

Die Summation ueber des vollstaendige Spektrum des Atoms, die in der Stoehrungstheorie zweiter Ordnung vorkommt, wurde mit Hilfe der Greenschen Funktion Methode berechnet. Die Methode der Greenschen Funktion verlangt die Berechnung der unterschiedlichen Greenschen Funktionen: eine Coulomb-Greensche-Funktion im Fall von wasserstoffaehnlichen Ionen und eine Zentral-feld-Greensche-Funktion im Fall des Vielelektronen-Atoms. Die entwickelte Greensche Funktion erlaubte uns die folgenden atomaren Systeme in die Zweiphotonenionisierung der folgenden atomaren Systeme zu untersuchen: - wasserstoffaehnliche Ionen, um relativistische und Multipol-Effekte aufzudecken, - die aeussere Schale des Lithium; Helium und Helium-aehnliches Neon im Grundzustand, um taugliche Modelle des atomaren Feldes zu erhalten, - K- und L-Schalen des Argon, um die Vielelektronen-Effekte abzuschaetzen. Zusammenfassend, die relativistische Effekte ergeben sich in einer allgemeinen Reduzierung der Zweiphotonen Wirkungsquerschnitte. Zum Beispiel, betraegt das Verhaeltnis zwischen den nichtrelativistischen und relativistischen Wirkungsquerschnitten einen Faktor zwei fuer wasserstoffaehnliches Uran. Ausser dieser relativistischen Kontraktion, ist auch die relativistische Aufspaltung der Zwischenzustaende fuer mittelschwere Ionen sichtbar. Im Gegensatz zu den relativistischen Effekten, beeinflussen die Multipol-Effekte die totalen Wirkungsquerschnitte sehr wenig, so dass die Langwellennaeherung mit der exakten Naeherung fuer schwere Ionen sogar innerhalb von 5 Prozent uebereinstimmt. Die winkelaufgeloesten Wirkungsquerschnitte werden durch die relativistischen Effekte auf eine beeindruckende Weise beeinflusst: die Form der differentiellen Wirkungsquerschnitte aendert sich (qualitativ) abhaengig von der Photonenenergie. Ausserdem kann die Beruecksichtigung der hoeheren Multipole die elektronische Ausbeute um einen Faktor drei aendern. Die Vielelektronen-Effekte in der Zweiphotonenionisierung wurden am Beispiel der K- und L-Schalen des Argon analysiert. Hiermit wurden die totalen Wirkungsquerschnitte in einer Ein-aktives-Elektron-Naeherung (single-active-electron approximation) berechnet. Es hat sich herausgestellt, dass die Elektron--Elektron-Wechselwirkung sehr wichtig fuer die L-Schale und vernachlaessigbar fuer die K-Schale ist. Das bedeutet, dass man die totalen Wirkungsquerschnitte mit wasserstoffaehnlichen Modellen im Fall der K-Schale beschreiben kann, aber fuer die L-Schale fortgeschrittene Modelle erforderlich sind. Die Ergebnisse fuer Vielelektronen-Atome wurden mittels einer Dirac-Zentral-feld-Greenschen Funktion erlangt. Ein numerischer Algorithmus wurde urspruenglich von McGuire (1981) fuer der Schroedinger-Zentral-feld-Greensche Funktion eingefuehrt. Der Algorithmus wurde in dieser Arbeit zum ersten Mal fuer die Dirac-Gleichung angewandt. Unser Algorithmus benutzt die Kummer- und Tricomi-Funktionen, die mit Hilfe eines zuverlaessigen, aber noch immer langsamen Programmes berechnet wurden. Die Langsamkeit des Programms begrenzt den Bereich der Aufgaben, die effizient geloest werden koennen. Die Zentral-feld-Greensche Funktion konnte bei den folgenden Problemen benutzt werden: - Berechnung der Zweiphotonen-Zerfallsraten, - Berechnung der Zweiphotonenanregung und -ionisierungs-Wirkungsquerschnitte, - Berechnung die Multiphotonenanregung und -ionisierungs-Wirkungsquerschnitte, - Berechnung einer atomaren Vielelektronen-Green-Funktion. Von diesen Aufgaben koennen nur die ersten beiden in angemessener Zeit geloest werden. Fuer die letzten beiden Aufgaben ist unsere Implementierung zu langsam und muss weiter verbessert werden.

Systematic multi-configuration calculations on structures and properties of complex atoms

Die relativistische Multikonfigurations Dirac-Fock (MCDF) Methode ist gegenwärtig eines der am häufigsten benutzten Verfahren zur Berechnung der elektronischen Struktur und der Eigenschaften freier Atome. In diesem Verfahren werden die Wellenfunktionen ausgewählter atomarer Zustände als eine Linearkombination von sogenannten Konfigurationszuständen (CSF - Configuration State Functions) konstruiert, die in einem Teilraum des N-Elektronen Hilbert-Raumes eine (Vielteilchen-)Basis aufspannen. Die konkrete Konstruktion dieser Basis entscheidet letzlich über die Güte der Wellenfunktionen, die üblicherweise mit Hilfe einer Variation des Erwartungswertes zum no-pair Dirac-Coulomb Hamiltonoperators gewonnen werden. Mit Hilfe von MCDF Wellenfunktionen können die dominanten relativistischen und Korrelationseffekte in freien Atomen allgemein recht gut erfaßt und verstanden werden. Außer der instantanen Coulombabstoßung zwischen allen Elektronenpaaren werden dabei auch die relativistischen Korrekturen zur Elektron-Elektron Wechselwirkung, d.h. die magnetischen und Retardierungsbeiträge in der Wechselwirkung der Elektronen untereinander, die Ankopplung der Elektronen an das Strahlungsfeld sowie der Einfluß eines ausgedehnten Kernmodells erfaßt. Im Vergleich mit früheren MCDF Rechnungen werden in den in dieser Arbeit diskutierten Fallstudien Wellenfunktionsentwicklungen verwendet, die um 1-2 Größenordnungen aufwendiger sind und daher systematische Untersuchungen inzwischen auch an Atomen mit offenen d- und f-Schalen erlauben. Eine spontane Emission oder Absorption von Photonen kann bei freien Atomen theoretisch am einfachsten mit Hilfe von Übergangswahrscheinlichkeiten erfaßt werden. Solche Daten werden heute in vielen Forschungsbereichen benötigt, wobei neben den traditionellen Gebieten der Fusionsforschung und Astrophysik zunehmend auch neue Forschungsrichtungen (z.B. Nanostrukturforschung und Röntgenlithographie) zunehmend ins Blickfeld rücken. Um die Zuverlässigkeit unserer theoretischen Vorhersagen zu erhöhen, wurde in dieser Arbeit insbesondere die Relaxation der gebundenen Elektronendichte, die rechentechnisch einen deutlich größeren Aufwand erfordert, detailliert untersucht. Eine Berücksichtigung dieser Relaxationseffekte führt oftmals auch zu einer deutlich besseren Übereinstimmung mit experimentellen Werten, insbesondere für dn=1 Übergänge sowie für schwache und Interkombinationslinien, die innerhalb einer Hauptschale (dn=0) vorkommen. Unsere in den vergangenen Jahren verbesserten Rechnungen zu den Wellenfunktionen und Übergangswahrscheinlichkeiten zeigen deutlich den Fortschritt bei der Behandlung komplexer Atome. Gleichzeitig kann dieses neue Herangehen künftig aber auch auf (i) kompliziertere Schalensstrukturen, (ii) die Untersuchung von Zwei-Elektronen-ein-Photon (TEOP) Übergängen sowie (iii) auf eine Reihe weiterer atomarer Eigenschaften übertragen werden, die bekanntermaßen empflindlich von der Relaxation der Elektronendichte abhängen. Dies sind bspw. Augerzerfälle, die atomare Photoionisation oder auch strahlende und dielektronische Rekombinationsprozesse, die theoretisch bisher nur selten überhaupt in der Dirac-Fock Näherung betrachtet wurden.

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.

Unrestricted hartree-fock calculation of the ionization potential of small Hg_n clusters

The ionization potential of small Hg_n clusters has been calculated. For the first time good agreement with experimental results has been obtained. It is shown that interatomic Coulomb interactions are important. The energy of Hg_n^+ is calculated using the unrestricted inhomogeneous Hartree-Fock approximation. As a consequence of a change in the charge distribution in Hg_n^+ , we obtain an abrupt change in the slope of the ionization potential at the critical cluster size n_cr ~ 14. The presented results are expected to be valid for covalent clusters in between ionized van der Waals clusters and metallic clusters.