Modified statistical methods to calculate rare gas interaction potentials

New density functionals representing the exchange and correlation energies (per electron) are employed, based on the electron gas model, to calculate interaction potentials of noble gas systems X2 and XY, where X (and Y) are He,Ne,Ar and Kr, and of hydrogen atomrare gas systems H-X. The exchange energy density functional is that recommended by Handler and the correlation energy density functional is a rational function involving two parameters which were optimized to reproduce the correlation energy of He atom. Application of the two parameter function to other rare gas atoms shows that it is "universal"; i. e. ,accurate for the systems considered. The potentials obtained in this work compare well with recent experimental results and are a significant improvement over those from competing statistical modelS.

Étude des interactions supramoléculaires par modélisation moléculaire

L’avancée des infrastructures informatiques a permis l’émergence de la modélisation moléculaire. À cet effet, une multitude de modèles mathématiques sont aujourd’hui disponibles pour simuler différents systèmes chimiques. À l’aide de la modélisation moléculaire, différents types d’interactions chimiques ont été observés. À partir des systèmes les plus simples permettant l’utilisation de modèles quantiques rigoureux, une série d’approximations a été considérée pour rendre envisageable la simulation de systèmes moléculaires de plus en plus complexes. En premier lieu, la théorie de la fonctionnelle de densité dépendante du temps a été utilisée pour simuler les énergies d’excitation de molécules photoactives. De manière similaire, la DFT indépendante du temps a permis la simulation du pont hydrogène intramoléculaire de structures analogues au 1,3,5-triazapentadiène et la rationalisation de la stabilité des états de transition. Par la suite, la dynamique moléculaire et la mécanique moléculaire ont permis de simuler les interactions d’un trimère d’acide cholique et d’un pyrène dans différents solvants. Cette même méthodologie a été utilisée pour simuler les interactions d’un rotaxane-parapluie à l’interface d’un système biphasique. Finalement, l’arrimage moléculaire et les fonctions de score ont été utilisés pour simuler les interactions intermoléculaires entre une protéine et des milliers de candidats moléculaires. Les résultats ont permis de mettre en place une stratégie de développement d’un nouvel inhibiteur enzymatique.

Étude et caractérisation de détecteurs à liquide en surchauffe

Les preuves astronomiques stipulent qu'environ 4\% de la densité de masse-énergie de l'univers serait composé d'atomes. Le reste est séparé entre la matière sombre, qui représente 24\% de la densité de masse-énergie, et l'énergie sombre, qui s'accapare les 71\% restant. Le neutralino est une particule prédite par la théorie de la supersymétrie et est un candidat à la composition de la matière sombre. Le Projet d'Identification des Candidats Supersymétriques Sombres (PICASSO) vise à détecter le neutralino en utilisant des détecteurs à gouttelettes de C$_4$F$_{10}$ en surchauffe. Lors du passage d'une particule dans les gouttelettes de C$_4$F$_{10}$, une transition de phase aura lieu si l'énergie déposée est au-delà du seuil prédit par le critère de nucléation d'une transition de phase (théorie de Seitz). L'onde acoustique émise durant la transition de phase est ensuite transformée en impulsion électrique par des capteurs piézoélectriques placés sur le pourtour du détecteur. Le signal est amplifié, numérisé puis enregistré afin de pouvoir être analysé par des outils numériques. L'ouvrage qui suit présente les travaux effectués sur la compréhension des signaux des détecteurs à gouttelettes en surchauffe dans le but d'améliorer la discrimination du bruit de fond. Un détecteur à petites gouttelettes, r $\approx 15\mu m$ a été étudié et comparé à une simulation Monte Carlo. Il s'est avéré que les possibilités de discrimination du bruit de fond provenant des particules alpha étaient réduites pour un détecteur à petites gouttelettes, et ce en accord avec le modèle théorique. Différentes composantes du système d'acquisition ont été testées dont le couplage entre le capteur piézoélectrique et la paroi en acrylique, l'efficacité des capteurs piézoélectriques à gain intégré et les conséquences de la force du gain sur la qualité du signal. Une comparaison avec des résultats de l'expérience SIMPLE (Superheated Instrument for Massive ParticLe Experiments) a été effectuée en mesurant des signaux de détecteurs PICASSO à l'aide d'un microphone électrostatique à électret. Il a été conclu que les détecteurs PICASSO ne parviennent pas à reproduire la discrimination quasi parfaite présentée par SIMPLE.

Étude du champ magnétique interne de deux matériaux magnétiques et d'un supraconducteur sans symétrie d'inversion.

Cette thèse est divisée en trois parties. Une première section présente les résultats de l'étude de la formation de polarons magnétiques liés (BMP) dans le ferroaimant EuB6 par diffusion de neutrons à petits angles (SANS). La nature magnétique du système ferromagnétique est observée sous une température critique de 15K. La signature des BMP n'apparaît pas dans la diffusion de neutrons, mais ces mesures permettent de confirmer une limite inférieure de 100\AA à la longueur de cohérence des BMP (xi_{Lower}). Dans un second temps, l'étude du LaRhSi3, un supraconducteur sans symétrie d'inversion, par muSR et ZF-muSR nous permet de sonder le comportement magnétique du système dans la phase supraconductrice. Aucun champ magnétique interne n'a été détecté en ZF-muSR sous la température critique (T_c = 2.2K). Cela indique que la phase supraconductrice ne porte pas de moment cinétique intrinsèque. L'analyse du spectre d'asymétrie sous l'application d'un champ magnétique externe nous apprend que le système est faiblement type II par l'apparition de la signature de domaines magnétiques typique d'un réseau de vortex entre H_{c1}(0) et H_{c2}(0), respectivement de 80+/- 5 et 169.0 +/- 0.5 G. Finalement, la troisième section porte sur l'étude du champ magnétique interne dans l'antiferroaimant organique NIT-2Py. L'observation d'une dépendance en température des champs magnétiques internes aux sites d'implantation muonique par ZF-muSR confirme la présence d'une interaction à longue portée entre les moments cinétiques moléculaires. Ces valeurs de champs internes, comparées aux calculs basés sur la densité de spins obtenue par calculs de la théorie de la fonctionnelle de la densité, indiquent que la moitié des molécules se dimérisent et ne contribuent pas à l'ordre antiferromagnétique. La fraction des molécules contribuant à l'ordre antiferromagnétique sous la température critique (T_c = 1.33 +/- 0.01K) forme des chaines uniformément polarisées selon l'axe (1 0 -2). Ces chaines interagissent antiferromagnétiquement entre elles le long de l'axe (0 1 0) et ferromagnétiquement entre les plan [-1 0 2].

Structure and far-infrared edge modes of quantum antidots at zero magnetic field

We have investigated edge modes of different multipolarity sustained by quantum antidots at zero magnetic field. The ground state of the antidot is described within a local-density-functional formalism. Two sum rules, which are exact within this formalism, have been derived and used to evaluate the energy of edge collective modes as a function of the surface density and the size of the antidot.

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.

Electronic structure and properties of Cu2O

The structural and electronic properties of Cu2O have been investigated using the periodic Hartree-Fock method and a posteriori density-functional corrections. The lattice parameter, bulk modulus, and elastic constants have been calculated. The electronic structure of and bonding in Cu2O are analyzed and compared with x-ray photoelectron spectroscopy spectra, showing a good agreement for the valence-band states. To check the quality of the calculated electron density, static structure factors and Compton profiles have been calculated, showing a good agreement with the available experimental data. The effective electron and hole masses have been evaluated for Cu2O at the center of the Brillouin zone. The calculated interaction energy between the two interpenetrated frameworks in the cuprite structure is estimated to be around -6.0 kcal/mol per Cu2O formula. The bonding between the two independent frameworks has been analyzed using a bimolecular model and the results indicate an important role of d10-d10 type interactions between copper atoms.

Importance of the embedding environment on the strain within small rings in siliceous materials

The effect of the local environment on the energetic strain within small (SiO)N rings (with N=2,3) in silica materials is investigated via periodic model systems employing density functional calculations. Through comparison of the energies of various nonterminated systems containing small rings in strained and relatively unstrained environments, with alpha quartz, we demonstrate how small ring strain is affected by the nature of the embedding environment. We compare our findings with numerous previously reported calculations, often predicting significantly different small-ring strain energies, leading to a critical assessment of methods of calculating accurate localized ring energies. The results have relevance for estimates of the strain-induced response (e.g., chemical, photo, and radio) of small silica rings, and the propensity for them to form in bulk glasses, thin films, and nanoclusters.

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.

Perfils: Evert Jan Baerends i la densitat electrònica de molècules

Evert Jan Baerends és catedràtic de la Universitat Lliure d’Amsterdam i de la Universitat de Ciència i Tecnologia de Pohang de Corea del Sud. És un dels impulsors de l’Amsterdam Density Functional Program System, la teoria que ha revolucionat el camp de la química teòrica i computacional moderna. La importància de la densitat electrònica es va fer patent l’any 1964, quan Walter Kohn (Premi Nobel 1998) va demostrar que totes les propietats de les molècules es poden caracteritzar a partir del coneixement de la densitat. Ha assistit al Girona Seminar, convidat per l’Institut de Química Computacional de la UdG

Theoretical study of reactivity and dynamics of hybride-bridged diruthenium complexes and silylium

Esta tesis presenta un estudio computacional de los sistemas con hidruros puente. En la primera parte se estudia la química de complejos de dirutenio con cuatro hidruros puente. Esto incluye las siguientes reacciones: el intercambio del hidruro con hidrógeno molecular; la activación del enlace C-H del etileno para formar el complejo de bis(vinilo)-etileno; el acoplamiento C-C entre el etileno coordinado y dos ligandos vinilo para producir el complejo rutenaciclopentadieno. Al final de esta parte, se discuten a detalle los mecanismos de estas reacciones. Además, se demostró la importancia de la flexibilidad de los ligandos hidruro y la cooperación entre los dos centros metálicos. En la segunda parte, se estudió el comportamiento fluxional de dos complejos μ-silileno y de un catión sililio. Con esto, se estableció la ruta más favorable en donde se realiza el intercambio de los ligandos hidruro y de los grupos metilo en los complejos μ-silileno. Finalmente, se encontró que hay dos posibles rutas relativas al cambio en la posición del puente Si-H-Si en el cation sililio poliagóstico, asociadas con la rotación interna de los grupos sililo.

Substituent effects in single helix-double helix interconversions in copper(I) complexes

The copper(I) complex of L, the 1:2 condensate of benzil dihydrazone and 2-formylpyridine, exists as single, helical [CuL](+) and double helical [Cu2L2](2+) in dichloromethane solution but crystallizes only as the double helicate [Cu2L2](ClO4)(2). In contrast, earlier [New J Chem, 27 (2003) 193] it has been found that with L', the 1:2 condensate of benzil dihydrazone and 2-acetylpyridine, only the single helical monomeric species [CuL'](+) is isolable as solid. This contrasting behaviour of the copper(I) complexes of L and L' are scrutinised here by density functional calculations.

Design and theoretical study of nickel catalysts for syndiotactic polyolefins

A nickel catalyst was modeled with ligand L-2, [ NH = CH-CH = CH-O](-), which should have potential use as a syndiotactic polyolefin catalyst, and the reaction mechanism was studied by theoretical calculations using the density functional method at the B3LYP/ LANL2MB level. The mechanism involves the formation of the intermediate [(NiLMe)-Me-2](+), in which the metal occuples a T-shaped geometry. - This intermediate has two possible structures with the methyl group trans either to the oxygen or to the nitrogen atom of L-2. The results show that both structures can lead to the desired product via similar reaction paths, A and B. Thus, the polymerization could be considered as taking place either with the alkyl group occupying the position trans to the Ni-O or trans to the Ni-N bond in the catalyst. The polymerization process thus favors the catalysis of syndiotactic polyolefins. The syndiotactic synthesis effects could also be enhanced by variations in the ligand substituents. From energy considerations, we can conclude that it is more favorable for the methyl group to occupy the trans-O position to form a complex than to occupy the trans-N position. From bond length considerations, it is also more favoured for ethene to occupy the trans-O position than to occupy the trans-N position.

Metallo-organic domino reactions: C-H versus C-C bond breaking

HL and MeL are prepared by condensing benzil dihydrazone with 2-formylpyridine and 2-acetylpyridine, respectively, in 1:2 molar proportions. While in a reaction with [Ru-(C6H6)Cl-2](2), HL yields the cation [Ru(C6H6){5,6-diphenyl-3-(pyridin-2-yl)- 1,2,4-triazine}Cl](+), MeL gives the cation [Ru(C6H6)(MeL)Cl](+). Both the cations are isolated as their hexafluorophosphate salts and characterised by X-ray crystallography. In the case of HL, double domino electrocyclic/elimination reactions are found to occur. The electrocyclic reaction occurs in a C=N-N=C-C=N fragment of HL and the elimination reaction involves breaking of a C-H bond of HL. Density functional calculations on model complexes indicate that the identified electrocyclic reaction is thermochemically as well as kinetically feasible for both HL and MeL in the gas phase. For a double domino reaction, similar to that operative in HL, to occur for MeL, breaking of a C-C bond would be required in the elimination step. Our model calculations show the energy barrier for this elimination step to be much higher (329.1 kJ mol(-1)) for MeL than that for HL (96.3 kJ mol(-1)). Thus, the domino reaction takes place for HL and not for MeL. This accounts for the observed stability of [Ru(C6H6)-(MeL)Cl](+) under the reaction conditions employed.

Non-stoichiometric oxide and metal interfaces and reactions

We have employed a combination of experimental surface science techniques and density functional calculations to study the reduction of TiO2(110) surfaces through the doping with submonolayer transition metals. We concentrate on the role of Ti adatoms in self doping of rutile and contrast the behaviour to that of Cr. DFT+U calculations enable identification of probable adsorption structures and their spectroscopic characteristics. Adsorption of both metals leads to a broken symmetry and an asymmetric charge transfer localised around the defect site of a mixed localised/delocalised character. Charge transfer creates defect states with Ti 3d character in the band gap at similar to 1-eV binding energy. Cr adsorption, however, leads to a very large shift in the valence-band edge to higher binding energy and the creation of Cr 3d states at 2.8-eV binding energy. Low-temperature oxidation lifts the Ti-derived band-gap states and modifies the intensity of the Cr features, indicative of a change of oxidation state from Cr3+ to Cr4+. Higher temperature processing leads to a loss of Cr from the surface region, indicative of its substitution into the bulk.