Ultrafast charge-transfer in organic photovoltaic interfaces: geometrical and functionalization effects

Understanding the microscopic mechanisms of electronic excitation in organic photovoltaic cells is a challenging problem in the design of efficient devices capable of performing sunlight harvesting. Here we develop and apply an ab initio approach based on time-dependent density functional theory and Ehrenfest dynamics to investigate photoinduced charge transfer in small organic molecules. Our calculations include mixed quantum–classical dynamics with ions moving classically and electrons quantum mechanically, where no experimental external parameter other than the material geometry is required. We show that the behavior of photocarriers in zinc phthalocyanine (ZnPc) and C60 systems, an effective prototype system for organic solar cells, is sensitive to the atomic orientation of the donor and the acceptor units as well as the functionalization of covalent molecules at the interface. In particular, configurations with the ZnPc molecules facing on C60 facilitate charge transfer between substrate and molecules that occurs within 200 fs. In contrast, configurations where ZnPc is tilted above C60 present extremely low carrier injection efficiency even at longer times as an effect of the larger interfacial potential level offset and higher energetic barrier between the donor and acceptor molecules. An enhancement of charge injection into C60 at shorter times is observed as binding groups connect ZnPc and C60 in a dyad system. Our results demonstrate a promising way of designing and controlling photoinduced charge transfer on the atomic level in organic devices that would lead to efficient carrier separation and maximize device performance.

On the regularity of homomorphisms between Riesz subalgebras of L^r(X).

We investigate the automatic regularity of continuous algebra homomorphisms between Riesz algebras of regular operators on Banach lattices.

Représentations et fusion des algèbres de Temperley-Lieb originale et diluée

Les algèbres de Temperley-Lieb originales, aussi dites régulières, apparaissent dans de nombreux modèles statistiques sur réseau en deux dimensions: les modèles d'Ising, de Potts, des dimères, celui de Fortuin-Kasteleyn, etc. L'espace d'Hilbert de l'hamiltonien quantique correspondant à chacun de ces modèles est un module pour cette algèbre et la théorie de ses représentations peut être utilisée afin de faciliter la décomposition de l'espace en blocs; la diagonalisation de l'hamiltonien s'en trouve alors grandement simplifiée. L'algèbre de Temperley-Lieb diluée joue un rôle similaire pour des modèles statistiques dilués, par exemple un modèle sur réseau où certains sites peuvent être vides; ses représentations peuvent alors être utilisées pour simplifier l'analyse du modèle comme pour le cas original. Or ceci requiert une connaissance des modules de cette algèbre et de leur structure; un premier article donne une liste complète des modules projectifs indécomposables de l'algèbre diluée et un second les utilise afin de construire une liste complète de tous les modules indécomposables des algèbres originale et diluée. La structure des modules est décrite en termes de facteurs de composition et par leurs groupes d'homomorphismes. Le produit de fusion sur l'algèbre de Temperley-Lieb originale permet de «multiplier» ensemble deux modules sur cette algèbre pour en obtenir un autre. Il a été montré que ce produit pouvait servir dans la diagonalisation d'hamiltoniens et, selon certaines conjectures, il pourrait également être utilisé pour étudier le comportement de modèles sur réseaux dans la limite continue. Un troisième article construit une généralisation du produit de fusion pour les algèbres diluées, puis présente une méthode pour le calculer. Le produit de fusion est alors calculé pour les classes de modules indécomposables les plus communes pour les deux familles, originale et diluée, ce qui vient ajouter à la liste incomplète des produits de fusion déjà calculés par d'autres chercheurs pour la famille originale. Finalement, il s'avère que les algèbres de Temperley-Lieb peuvent être associées à une catégorie monoïdale tressée, dont la structure est compatible avec le produit de fusion décrit ci-dessus. Le quatrième article calcule explicitement ce tressage, d'abord sur la catégorie des algèbres, puis sur la catégorie des modules sur ces algèbres. Il montre également comment ce tressage permet d'obtenir des solutions aux équations de Yang-Baxter, qui peuvent alors être utilisées afin de construire des modèles intégrables sur réseaux.

Monogenic polynomials of four variables with binomial expansion

In the recent past one of the main concern of research in the field of Hypercomplex Function Theory in Clifford Algebras was the development of a variety of new tools for a deeper understanding about its true elementary roots in the Function Theory of one Complex Variable. Therefore the study of the space of monogenic (Clifford holomorphic) functions by its stratification via homogeneous monogenic polynomials is a useful tool. In this paper we consider the structure of those polynomials of four real variables with binomial expansion. This allows a complete characterization of sequences of 4D generalized monogenic Appell polynomials by three different types of polynomials. A particularly important case is that of monogenic polynomials which are simply isomorphic to the integer powers of one complex variable and therefore also called pseudo-complex powers.

Nonlinear preservers

Dans cette thèse, nous sommes intéressés par des problèmes de préservation des applications non-linéaires entre deux algèbres de Banach complexes unitaires A et B. En général, ces problèmes demandent la caractérisation des applications φ : A → B non nécessairement linéaires, qui laissent invariant une propriété, une relation ou un sous-ensemble. Dans le Chapitre 3, la description des applications surjectives φ de B(X) sur B(Y), qui satisfont c(φ(S)±φ(T)) = c(S ± T), (S,T ∈ B(X)), est donnée, où c(·) représente soit le module minimal, ou le module de surjectivité ou le module maximal et B(X) (resp. B(Y)) dénote l’algèbre de tous les opérateurs linéaires et bornés sur X (resp. sur Y). Dans le Chapitre 4, une question similaire pour la conorme des opérateurs, est considérée. La caractérisation des applications bicontinues et bijectives φ deB(X) surB(Y), qui satisfont γ(φ(S ± φ(T)) = γ(S ± T), (S,T ∈ B(X)), est obtenue. Le Chapitre 5 est consacré à la description des applications surjectives φ1,φ2 d’une algèbre de Banach semisimple A sur une algèbre de Banach B avec un socle essentiel, qui satisfont σ(φ1(a)φ2(b)) = σ(ab), (a,b ∈ A). Aussi, la caractérisation des applications φ de A sur B, sous les mêmes hypothèses sur A et B, qui satisfont σ(φ(a)φ(b)φ(a)) = σ(aba), (a,b ∈ A), est donnée. Comme conséquences, nous incluons les résultats obtenus au cas des algèbres B(X) et B(Y).

Algebro-Geometric Aspects of the Classical Yang-Baxter Equation

In this thesis we consider algebro-geometric aspects of the Classical Yang-Baxter Equation and the Generalised Classical Yang-Baxter Equation. In chapter one we present a method to construct solutions of the Generalised Classical Yang-Baxter Equation starting with certain sheaves of Lie algebras on algebraic curves. Furthermore we discuss a criterion to check unitarity of such solutions. In chapter two we consider the special class of solutions coming from sheaves of traceless endomorphisms of simple vector bundles on the nodal cubic curve. These solutions are quasi-trigonometric and we describe how they fit into the classification scheme of such solutions. Moreover, we describe a concrete formula for these solutions. In the third and final chapter we show that any unitary, rational solution of the Classical Yang-Baxter Equation can be obtained via the method of chapter one applied to a sheaf of Lie algebras on the cuspidal cubic curve.

Generalized cluster states based on finite groups

We define generalized cluster states based on finite group algebras in analogy to the generalization of the toric code to the Kitaev quantum double models. We do this by showing a general correspondence between systems with CSS structure and finite group algebras, and applying this to the cluster states to derive their generalization. We then investigate properties of these states including their projected entangled pair state representations, global symmetries, and relationship to the Kitaev quantum double models. We also discuss possible applications of these states.

2-categories and cyclic homology

The topic of this thesis is the application of distributive laws between comonads to the theory of cyclic homology. The work herein is based on the three papers 'Cyclic homology arising from adjunctions', 'Factorisations of distributive laws', and 'Hochschild homology, lax codescent,and duplicial structure', to which the current author has contributed. Explicitly, our main aims are: 1) To study how the cyclic homology of associative algebras and of Hopf algebras in the original sense of Connes and Moscovici arises from a distributive law, and to clarify the role of different notions of bimonad in this generalisation. 2) To extend the procedure of twisting the cyclic homology of a unital associative algebra to any duplicial object defined by a distributive law. 3) To study the universality of Bohm and Stefan’s approach to constructing duplicial objects, which we do in terms of a 2-categorical generalisation of Hochschild (co)homology. 4) To characterise those categories whose nerve admits a duplicial structure.

Thinning of the Goban Spur continental margin and formation of early oceanic crust: Constraints from forward modelling and inversion of marine magnetic anomalies

The deep seismic reflection profile Western Approaches Margin (WAM) cuts across the Goban Spur continental margin, located southwest of Ireland. This non-volcanic margin is characterized by a few tilted blocks parallel to the margin. A volcanic sill has been emplaced on the westernmost tilted block. The shape of the eastern part of this sill is known from seismic data, but neither seismic nor gravity data allow a precise determination of the extent and shape of the volcanic body at depth. Forward modelling and inversion of magnetic data constrain the shape of this volcanic sill and the location of the ocean-continent transition. The volcanic body thickens towards the ocean, and seems to be in direct contact with the oceanic crust. In the contact zone, the volcanic body and the oceanic magnetic layer display approximately the same thickness. The oceanic magnetic layer is anomalously thick immediately west of the volcanic body, and gradually thins to reach more typical values 40 km further to the west. The volcanic sill would therefore represent the very first formation of oceanic crust, just before or at the continental break-up. The ocean-continent transition is limited to a zone 15 km wide. The continental magnetic layer seems to thin gradually oceanwards, as does the continental crust, but no simple relation is observed between their respective thinnings.

Branching bisimulation games.

Branching bisimilarity and branching bisimilarity with explicit divergences are typically used in process algebras with silent steps when relating implementations to specifications. When an implementation fails to conform to its specification, i.e., when both are not related by branching bisimilarity [with explicit divergence], pinpointing the root causes can be challenging. In this paper, we provide characterisations of branching bisimilarity [with explicit divergence] as games between Spoiler and Duplicator, offering an operational understanding of both relations. Moreover, we show how such games can be used to assist in diagnosing non-conformance between implementation and specification.

Représentations et fusion des algèbres de Temperley-Lieb originale et diluée

Les algèbres de Temperley-Lieb originales, aussi dites régulières, apparaissent dans de nombreux modèles statistiques sur réseau en deux dimensions: les modèles d'Ising, de Potts, des dimères, celui de Fortuin-Kasteleyn, etc. L'espace d'Hilbert de l'hamiltonien quantique correspondant à chacun de ces modèles est un module pour cette algèbre et la théorie de ses représentations peut être utilisée afin de faciliter la décomposition de l'espace en blocs; la diagonalisation de l'hamiltonien s'en trouve alors grandement simplifiée. L'algèbre de Temperley-Lieb diluée joue un rôle similaire pour des modèles statistiques dilués, par exemple un modèle sur réseau où certains sites peuvent être vides; ses représentations peuvent alors être utilisées pour simplifier l'analyse du modèle comme pour le cas original. Or ceci requiert une connaissance des modules de cette algèbre et de leur structure; un premier article donne une liste complète des modules projectifs indécomposables de l'algèbre diluée et un second les utilise afin de construire une liste complète de tous les modules indécomposables des algèbres originale et diluée. La structure des modules est décrite en termes de facteurs de composition et par leurs groupes d'homomorphismes. Le produit de fusion sur l'algèbre de Temperley-Lieb originale permet de «multiplier» ensemble deux modules sur cette algèbre pour en obtenir un autre. Il a été montré que ce produit pouvait servir dans la diagonalisation d'hamiltoniens et, selon certaines conjectures, il pourrait également être utilisé pour étudier le comportement de modèles sur réseaux dans la limite continue. Un troisième article construit une généralisation du produit de fusion pour les algèbres diluées, puis présente une méthode pour le calculer. Le produit de fusion est alors calculé pour les classes de modules indécomposables les plus communes pour les deux familles, originale et diluée, ce qui vient ajouter à la liste incomplète des produits de fusion déjà calculés par d'autres chercheurs pour la famille originale. Finalement, il s'avère que les algèbres de Temperley-Lieb peuvent être associées à une catégorie monoïdale tressée, dont la structure est compatible avec le produit de fusion décrit ci-dessus. Le quatrième article calcule explicitement ce tressage, d'abord sur la catégorie des algèbres, puis sur la catégorie des modules sur ces algèbres. Il montre également comment ce tressage permet d'obtenir des solutions aux équations de Yang-Baxter, qui peuvent alors être utilisées afin de construire des modèles intégrables sur réseaux.

THE IMPACT OF UPPER-LEVEL PROCESSES ON THE INTENSITY AND STRUCTURAL CHANGES OF HURRICANE SANDY (2012)

The first part of this study examines the relative roles of frontogenesis and tropopause undulation in determining the intensity and structural changes of Hurricane Sandy (2012) using a high-resolution cloud-resolving model. A 138-h simulation reproduces Sandy’s four distinct development stages: (i) rapid intensification, (ii) weakening, (iii) steady maximum surface wind but with large continued sea-level pressure (SLP) falls, and (iv) re-intensification. Results show typical correlations between intensity changes, sea-surface temperature and vertical wind shear during the first two stages. The large SLP falls during the last two stages are mostly caused by Sandy’s moving northward into lower-tropopause regions associated with an eastward-propagating midlatitude trough, where the associated lower-stratospheric warm air wraps into the storm and its surrounding areas. The steady maximum surface wind occurs because of the widespread SLP falls with weak pressure gradients lacking significant inward advection of absolute angular momentum (AAM). Meanwhile, there is a continuous frontogenesis in the outer region during the last three stages. Cyclonic inward advection of AAM along each frontal rainband accounts for the continued expansion of the tropical-storm-force wind and structural changes, while deep convection in the eyewall and merging of the final two survived frontal rainbands generate a spiraling jet in Sandy’s northwestern quadrant, leading to its re-intensification prior to landfall. The physical, kinematic and dynamic aspects of an upper-level outflow layer and its possible impact on the re-intensification of Sandy are examined in the second part of this study. Above the outflow layer isentropes are tilted downward with radius as a result of the development of deep convection and an approaching upper-level trough, causing weak subsidence. Its maximum outward radial velocity is located above the cloud top, so the outflow channel experiences cloud-induced long-wave cooling. Because Sandy has two distinct convective regions (an eyewall and a frontal rainband), it has multiple outflow layers, with the eyewall’s outflow layer located above that of the frontal rainband. During the re-intensification stage, the eyewall’s outflow layer interacts with a jet stream ahead of the upper-level trough axis. Because of the presence of inertial instability on the anticyclonic side of the jet stream and symmetric instability in the inner region of the outflow layer, Sandy’s secondary circulation intensifies. Its re-intensification ceases when these instabilities disappear. The relationship between the intensity of the secondary circulation and dynamic instabilities of the outflow layer suggests that the re-intensification occurs in response to these instabilities. Additionally, it is verified that the long-wave cooling in the outflow layer helps induce symmetric instability by reducing static stability.

Nonabelian holomorphic Lie algebroid extensions

International audience

On polynomials with given Hilbert function and applications

Using Macaulay's correspondence we study the family of Artinian Gorenstein local algebras with fixed symmetric Hilbert function decomposition. As an application we give a new lower bound for the dimension of cactus varieties of the third Veronese embedding. We discuss the case of cubic surfaces, where interesting phenomena occur.