Critical behavior of a water monolayer under hydrophobic confinement

The properties of water can have a strong dependence on the confinement. Here, we consider a water monolayer nanoconfined between hydrophobic parallel walls under conditions that prevent its crystallization. We investigate, by simulations of a many-body coarse-grained water model, how the properties of the liquid are affected by the confinement. We show, by studying the response functions and the correlation length and by performing finite-size scaling of the appropriate order parameter, that at low temperature the monolayer undergoes a liquid-liquid phase transition ending in a critical point in the universality class of the two-dimensional (2D) Ising model. Surprisingly, by reducing the linear size L of the walls, keeping the walls separation h constant, we find a 2D-3D crossover for the universality class of the liquid-liquid critical point for L/h=~50, i.e. for a monolayer thickness that is small compared to its extension. This result is drastically different from what is reported for simple liquids, where the crossover occurs for , and is consistent with experimental results and atomistic simulations. We shed light on these findings showing that they are a consequence of the strong cooperativity and the low coordination number of the hydrogen bond network that characterizes water.

Méthode de calcul à N-corps basée sur la G0W0 : étude du couplage électron-phonon dans le C60 et développement d’une approche accélérée pour matériaux organiques

La présente thèse porte sur les limites de la théorie de la fonctionnelle de la densité et les moyens de surmonter celles-ci. Ces limites sont explorées dans le contexte d'une implémentation traditionnelle utilisant une base d'ondes planes. Dans un premier temps, les limites dans la taille des systèmes pouvant être simulés sont observées. Des méthodes de pointe pour surmonter ces dernières sont ensuite utilisées pour simuler des systèmes de taille nanométrique. En particulier, le greffage de molécules de bromophényle sur les nanotubes de carbone est étudié avec ces méthodes, étant donné l'impact substantiel que pourrait avoir une meilleure compréhension de ce procédé sur l'industrie de l'électronique. Dans un deuxième temps, les limites de précision de la théorie de la fonctionnelle de la densité sont explorées. Tout d'abord, une étude quantitative de l'incertitude de cette méthode pour le couplage électron-phonon est effectuée et révèle que celle-ci est substantiellement plus élevée que celle présumée dans la littérature. L'incertitude sur le couplage électron-phonon est ensuite explorée dans le cadre de la méthode G0W0 et cette dernière se révèle être une alternative substantiellement plus précise. Cette méthode présentant toutefois de sévères limitations dans la taille des systèmes traitables, différents moyens théoriques pour surmonter ces dernières sont développés et présentés dans cette thèse. La performance et la précision accrues de l'implémentation résultante laissent présager de nouvelles possibilités dans l'étude et la conception de certaines catégories de matériaux, dont les supraconducteurs, les polymères utiles en photovoltaïque organique, les semi-conducteurs, etc.

Calculs ab initio de structures électroniques et de leur dépendance en température avec la méthode GW

Cette thèse porte sur le calcul de structures électroniques dans les solides. À l'aide de la théorie de la fonctionnelle de densité, puis de la théorie des perturbations à N-corps, on cherche à calculer la structure de bandes des matériaux de façon aussi précise et efficace que possible. Dans un premier temps, les développements théoriques ayant mené à la théorie de la fonctionnelle de densité (DFT), puis aux équations de Hedin sont présentés. On montre que l'approximation GW constitue une méthode pratique pour calculer la self-énergie, dont les résultats améliorent l'accord de la structure de bandes avec l'expérience par rapport aux calculs DFT. On analyse ensuite la performance des calculs GW dans différents oxydes transparents, soit le ZnO, le SnO2 et le SiO2. Une attention particulière est portée aux modèles de pôle de plasmon, qui permettent d'accélérer grandement les calculs GW en modélisant la matrice diélectrique inverse. Parmi les différents modèles de pôle de plasmon existants, celui de Godby et Needs s'avère être celui qui reproduit le plus fidèlement le calcul complet de la matrice diélectrique inverse dans les matériaux étudiés. La seconde partie de la thèse se concentre sur l'interaction entre les vibrations des atomes du réseau cristallin et les états électroniques. Il est d'abord montré comment le couplage électron-phonon affecte la structure de bandes à température finie et à température nulle, ce qu'on nomme la renormalisation du point zéro (ZPR). On applique ensuite la méthode GW au calcul du couplage électron-phonon dans le diamant. Le ZPR s'avère être fortement amplifié par rapport aux calculs DFT lorsque les corrections GW sont appliquées, améliorant l'accord avec les observations expérimentales.

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.

Spin-Peierls vs Peierls distortions in a family of conjugated polymers

Distortions in a family of conjugated polymers are studied using two complementary approaches: within a many-body valence bond approach using a transfer-matrix technique to treat the Heisenberg model of the systems, and also in terms of the tight-binding band-theoretic model with interactions limited to nearest neighbors. The computations indicate that both methods predict the presence or absence of the same distortions in most of the polymers studied.

Parity violation in Aharonov-Bohm systems: The spontaneous Hall effect

We show how macroscopic manifestations of P (and T) symmetry breaking can arise in a simple system subject to Aharonov-Bohm interactions. Specifically, we study the conductivity of a gas of charged particles moving through a dilute array of flux tubes. The interaction of the electrons with the flux tubes is taken to be of a purely Aharonov-Bohm type. We find that the system exhibits a nonzero transverse conductivity, i.e., a spontaneous Hall effect. This is in contrast to the fact that the cross sections for both scattering and bremsstrahlung (soft-photon emission) of a single electron from a flux tube are invariant under reflections. We argue that the asymmetry in the conductivity coefficients arises from many-body effects. On the other hand, the transverse conductivity has the same dependence on universal constants that appears in the quantum Hall effect, a result that we relate to the validity of the mean-field approximation.

Delta(1232) isobar excitations and the ground state of nuclei

The influence of Delta isobar components on the ground-state properties of nuclear systems is investigated for nuclear matter as well as finite nuclei. Many-body wave functions, including isobar configurations and binding energies, are evaluated employing the framework of the coupled-cluster theory. It is demonstrated that the effect of isobar configurations depends in a rather sensitive way on the model used for the baryon-baryon interaction. As examples for realistic baryon-baryon interactions with explicit inclusion of isobar channels we use the local (V28) and nonlocal meson-exchange potentials (Bonn2000) but also a model recently developed by the Salamanca group, which is based on a quark picture. The differences obtained for the nuclear observables are related to the treatment of the interaction, the pi-exchange contributions in particular, at high momentum transfers.

Superheavy nuclei in relativistic effective Lagrangian model

Isotopic and isotonic chains of superheavy nuclei are analyzed to search for spherical double shell closures beyond Z=82 and N=126 within the new effective field theory model of Furnstahl, Serot, and Tang for the relativistic nuclear many-body problem. We take into account several indicators to identify the occurrence of possible shell closures, such as two-nucleon separation energies, two-nucleon shell gaps, average pairing gaps, and the shell correction energy. The effective Lagrangian model predicts N=172 and Z=120 and N=258 and Z=120 as spherical doubly magic superheavy nuclei, whereas N=184 and Z=114 show some magic character depending on the parameter set. The magicity of a particular neutron (proton) number in the analyzed mass region is found to depend on the number of protons (neutrons) present in the nucleus.

Entropy of a correlated system of nucleons

Realistic nucleon-nucleon interactions induce correlations to the nuclear many-body system, which lead to a fragmentation of the single-particle strength over a wide range of energies and momenta. We address the question of how this fragmentation affects the thermodynamical properties of nuclear matter. In particular, we show that the entropy can be computed with the help of a spectral function, which can be evaluated in terms of the self-energy obtained in the self-consistent Green's function approach. Results for the density and temperature dependences of the entropy per particle for symmetric nuclear matter are presented and compared to the results of lowest order finite-temperature Brueckner-Hartree-Fock calculations. The effects of correlations on the calculated entropy are small, if the appropriate quasiparticle approximation is used. The results demonstrate the thermodynamical consistency of the self-consistent T-matrix approximation for the evaluation of the Green's functions.

Adsorption of element 112 on a Au surface

Während der letzten 20 Jahre hat sich das Periodensystem bis zu den Elementen 114 und 116 erweitert. Diese sind kernphysikalisch nachgewiesen, so dass jetzt die chemische Untersuchung an erster Selle steht. Nachdem sich das Periodensystem bis zum Element 108 so verhält, wie man es dem Periodensystem nach annimmt, wird in dieser Arbeit die Chemie des Elements 112 untersucht. Dabei geht es um die Adsorptionsenergie auf einer Gold-Ober fläche, weil dies der physikalisch/chemische Prozess ist, der bei der Analyse angewandt wird. Die Methode, die in dieser Arbeit angwandt wird, ist die relativistische Dichtefunktionalmethode. Im ersten Teil wird das Vielkörperproblem in allgemeiner Form behandelt, und im zweiten die grundlegenden Eigenschaften und Formulierungen der Dichtefunktionaltheorie. Die Arbeit beschreibt zwei prinzipiell unterschiedliche Ansätze, wie die Adsorptionsenergie berechnet werden kann. Zum einen ist es die sogenannte Clustermethode, bei der ein Atom auf ein relativ kleines Cluster aufgebracht und dessen Adsorptionsenergie berechnet wird. Wenn es gelingt, die Konvergenz mit der Größe des Clusters zu erreichen, sollte dies zu einem Wert für die Adsorptionsenergie führen. Leider zeigt sich in den Rechnungen, dass aufgrund des zeitlichen Aufwandes die Konvergenz für die Clusterrechnungen nicht erreicht wird. Es werden sehr ausführlich die drei verschiedenen Adsorptionsplätze, die Top-, die Brücken- und die Muldenposition, berechnet. Sehr viel mehr Erfolg erzielt man mit der Einbettungsmethode, bei der ein kleiner Cluster von vielen weiteren Atomen an den Positionen, die sie im Festkörpers auf die Adsorptionsenergie soweit sichergestellt ist, dass physikalisch-chemisch gute Ergebnisse erzielt werden. Alle hier gennanten Rechnungen sowohl mit der Cluster- wie mit der Einbettungsmethode verlangen sehr, sehr lange Rechenzeiten, die, wie oben bereits erwähnt, nicht zu einer Konvergenz für die Clusterrechnungen ausreichten. In der Arbeit wird bei allen Rechnungen sehr detailliert auf die Abhängigkeit von den möglichen Basissätzen eingegangen, die ebenfalls in entscheidender Weise zur Länge und Qualität der Rechnungen beitragen. Die auskonvergierten Rechnungen werden in der Form von Potentialkurven, Density of States (DOS), Overlap Populations sowie Partial Crystal Overlap Populations analysiert. Im Ergebnis zeigt sich, dass die Adsoptionsenergie für das Element 112 auf einer Goldoberfläche ca. 0.2 eV niedriger ist als die Adsorption von Quecksilber auf der gleichen Ober fläche. Mit diesem Ergebnis haben die experimentellen Kernchemiker einen Wert an der Hand, mit dem sie eine Anhaltspunkt haben, wo sie bei den Messungen die wenigen zu erwartenden Ereignisse finden können.

Computeralgebraische Herleitung und Auswertung atomarer Störungsreihen und deren Anwendung auf geschlossenschalige und einfache offenschalige Systeme

In der vorliegenden Arbeit wurde gezeigt, wie mit Hilfe der atomaren Vielteilchenstörungstheorie totale Energien und auch Anregungsenergien von Atomen und Ionen berechnet werden können. Dabei war es zunächst erforderlich, die Störungsreihen mit Hilfe computeralgebraischer Methoden herzuleiten. Mit Hilfe des hierbei entwickelten Maple-Programmpaketes APEX wurde dies für geschlossenschalige Systeme und Systeme mit einem aktiven Elektron bzw. Loch bis zur vierten Ordnung durchgeführt, wobei die entsprechenden Terme aufgrund ihrer großen Anzahl hier nicht wiedergegeben werden konnten. Als nächster Schritt erfolgte die analytische Winkelreduktion unter Anwendung des Maple-Programmpaketes RACAH, was zu diesem Zwecke entsprechend angepasst und weiterentwickelt wurde. Erst hier wurde von der Kugelsymmetrie des atomaren Referenzzustandes Gebrauch gemacht. Eine erhebliche Vereinfachung der Störungsterme war die Folge. Der zweite Teil dieser Arbeit befasst sich mit der numerischen Auswertung der bisher rein analytisch behandelten Störungsreihen. Dazu wurde, aufbauend auf dem Fortran-Programmpaket Ratip, ein Dirac-Fock-Programm für geschlossenschalige Systeme entwickelt, welches auf der in Kapitel 3 dargestellen Matrix-Dirac-Fock-Methode beruht. Innerhalb dieser Umgebung war es nun möglich, die Störungsterme numerisch auszuwerten. Dabei zeigte sich schnell, dass dies nur dann in einem angemessenen Zeitrahmen stattfinden kann, wenn die entsprechenden Radialintegrale im Hauptspeicher des Computers gehalten werden. Wegen der sehr hohen Anzahl dieser Integrale stellte dies auch hohe Ansprüche an die verwendete Hardware. Das war auch insbesondere der Grund dafür, dass die Korrekturen dritter Ordnung nur teilweise und die vierter Ordnung gar nicht berechnet werden konnten. Schließlich wurden die Korrelationsenergien He-artiger Systeme sowie von Neon, Argon und Quecksilber berechnet und mit Literaturwerten verglichen. Außerdem wurden noch Li-artige Systeme, Natrium, Kalium und Thallium untersucht, wobei hier die niedrigsten Zustände des Valenzelektrons betrachtet wurden. Die Ionisierungsenergien der superschweren Elemente 113 und 119 bilden den Abschluss dieser Arbeit.

Slave-boson approach to the size-dependent transition from van der Waals to covalent bonding in Hg_n clusters

We use a microscopic theory to describe the dynamics of the valence electrons in divalent-metal clusters. The theory is based on a many-body model Harniltonian H which takes into account, on the same electronic level, the van der Waals and the covalent bonding. In order to study the ground-state properties of H we have developed an extended slave-boson method. We have studied the bonding character and the degree of electronic delocalization in Hg_n clusters as a function of cluster size. Results show that, for increasing cluster size, an abrupt change occurs in the bond character from van der Waals to covalent bonding at a critical cluster size n_c ~ 10-20. This change also involves a transition from localized to delocalized valence electrons, as a consequence of the competition between both bonding mechanisms.

Photoionization of Kr near the 4s threshold: I. Experiment and LS coupling theory

Absolute cross sections for the transitions of the Kr atom into the 4s^1 and 4p^4nl states of the Kr^+ ion were measured in the 4s-electron threshold region by photon-induced fluorescence spectroscopy (PIFS). The cross sections for the transitions of the Kr atom into the 4s^1 and 4p^4nl states were also calculated, as well as the 4p^4nln'l' doubly excited states, in the frame of LS-coupling many-body technique. The cross sections of the doubly-excited atomic states were used to illustrate the pronounced contributions of the latter to the photoionization process, evident from the measurements. The comparison of theory and experiment led to conclusions about the origin of the main features observed in the experiment.

Three-electron radiative transitions

A new type of many-electron radiative transitions involving three electrons is predicted. The results of their investigation by many-body perturbation theory are presented. New spectral lines observed in the wavelength range of 37.5 to 54.0 nm by means of photon-induced fluorescence spectroscopy (PIFS) following the excitation of the Kr I 3d{^-1}np resonances are reported and compared with the predictions.

Test for basis-set errors in relativistic Dirac-Fock-Slater calculations with a numerical AO-DFS-basis

A fully relativistic four-component Dirac-Fock-Slater program for diatomics, with numerically given AO's as basis functions is presented. We discuss the problem of the errors due to the finite basis-set, and due to the influence of the negative energy solutions of the Dirac Hamiltonian. The negative continuum contributions are found to be very small.