Études de l’effet tunnel des spins quantiques macroscopiques

Dans cette thèse, nous présentons quelques analyses théoriques récentes ainsi que des observations expérimentales de l’effet tunnel quantique macroscopique et des tran- sitions de phase classique-quantique dans le taux d’échappement des systèmes de spins élevés. Nous considérons les systèmes de spin biaxial et ferromagnétiques. Grâce à l’approche de l’intégral de chemin utilisant les états cohérents de spin exprimés dans le système de coordonnées, nous calculons l’interférence des phases quantiques et leur distribution énergétique. Nous présentons une exposition claire de l’effet tunnel dans les systèmes antiferromagnétiques en présence d’un couplage d’échange dimère et d’une anisotropie le long de l’axe de magnétisation aisé. Nous obtenons l’énergie et la fonc- tion d’onde de l’état fondamentale ainsi que le premier état excité pour les systèmes de spins entiers et demi-entiers impairs. Nos résultats sont confirmés par un calcul utilisant la théorie des perturbations à grand ordre et avec la méthode de l’intégral de chemin qui est indépendant du système de coordonnées. Nous présentons aussi une explica- tion claire de la méthode du potentiel effectif, qui nous laisse faire une application d’un système de spin quantique vers un problème de mécanique quantique d’une particule. Nous utilisons cette méthode pour analyser nos modèles, mais avec la contrainte d’un champ magnétique externe ajouté. La méthode nous permet de considérer les transitions classiques-quantique dans le taux d’échappement dans ces systèmes. Nous obtenons le diagramme de phases ainsi que les températures critiques du passage entre les deux régimes. Nous étendons notre analyse à une chaine de spins d’Heisenberg antiferro- magnétique avec une anisotropie le long d’un axe pour N sites, prenant des conditions frontière périodiques. Pour N paire, nous montrons que l’état fondamental est non- dégénéré et donné par la superposition des deux états de Néel. Pour N impair, l’état de Néel contient un soliton, et, car la position du soliton est indéterminée, l’état fondamen- tal est N fois dégénéré. Dans la limite perturbative pour l’interaction d’Heisenberg, les fluctuations quantiques lèvent la dégénérescence et les N états se réorganisent dans une bande. Nous montrons qu’à l’ordre 2s, où s est la valeur de chaque spin dans la théorie des perturbations dégénérées, la bande est formée. L’état fondamental est dégénéré pour s entier, mais deux fois dégénéré pour s un demi-entier impair, comme prévu par le théorème de Kramer

Quasi-perfect state transfer in a bosonic dissipative network

In this paper we propose a scheme for quasi-perfect state transfer in a network of dissipative harmonic oscillators. We consider ideal sender and receiver oscillators connected by a chain of nonideal transmitter oscillators coupled by nearest-neighbour resonances. From the algebraic properties of the dynamical quantities describing the evolution of the network state, we derive a criterion, fixing the coupling strengths between all the oscillators, apart from their natural frequencies, enabling perfect state transfer in the particular case of ideal transmitter oscillators. Our criterion provides an easily manipulated formula enabling perfect state transfer in the special case where the network nonidealities are disregarded. We also extend such a criterion to dissipative networks where the fidelity of the transferred state decreases due to the loss mechanisms. To circumvent almost completely the adverse effect of decoherence, we propose a protocol to achieve quasi-perfect state transfer in nonideal networks. By adjusting the common frequency of the sender and the receiver oscillators to be out of resonance with that of the transmitters, we demonstrate that the sender`s state tunnels to the receiver oscillator by virtually exciting the nonideal transmitter chain. This virtual process makes negligible the decay rate associated with the transmitter line at the expense of delaying the time interval for the state transfer process. Apart from our analytical results, numerical computations are presented to illustrate our protocol.

Entanglement temperature in molecular magnets composed of S-spin dimers

In the present work, we investigate the quantum thermal entanglement in molecular magnets composed of dimers of spin S, using an Entanglement Witness built from measurements of magnetic susceptibility. An entanglement temperature, T(e), is then obtained for some values of spin S. From this, it is shown that T(e) is proportional to the intradimer exchange interaction J and that entanglement appears only for antiferromagnetic coupling. The results are compared to experiments carried on three isostructural materials: KNaMSi(4)O(10) (M=Mn, Fe or Cu). Copyright (C) EPLA, 2009

Tunneling among rotation tori

We consider an integrable Hamiltonian system generated by the resonant normal form in order to study a particular mechanism of tunneling. We isolated near doublets of energy corresponding to rotation tori of the classical dynamics counterpart and the degeneracies breakdown is attributed to rotation-rotation tunneling. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Gravitational self-localization for spherical masses

In this work, I consider the center-of-mass wave function for a homogenous sphere under the influence of the self-interaction due to Newtonian gravity. I solve for the ground state numerically and calculate the average radius as a measure of its size. For small masses, M≲10−17 kg, the radial size is independent of density, and the ground state extends beyond the extent of the sphere. For masses larger than this, the ground state is contained within the sphere and to a good approximation given by the solution for an effective radial harmonic-oscillator potential. This work thus determines the limits of applicability of the point-mass Newton Schrödinger equations for spherical masses. In addition, I calculate the fringe visibility for matter-wave interferometry and find that in the low-mass case, interferometry can in principle be performed, whereas for the latter case, it becomes impossible. Based on this, I discuss this transition as a possible boundary for the quantum-classical crossover, independent of the usually evoked environmental decoherence. The two regimes meet at sphere sizes R≈10−7 m, and the density of the material causes only minor variations in this value.

Tunneling among rotation tori

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Nonzero Gap Two-Dimensional Carbon Allotrope from Porous Graphene

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Overlap of isochrone resonances: Chaos and refraction

We consider the two nonconcentric circles billiard, with the inner circle as a refringent medium, in order to study the classical dynamics of a light ray. The eccentricity controls the chaotic sea intensity and the refraction index acts on the integrable portion of the phase space, prompting the appearance and overlapping of isochrone resonances. Numerical results are presented and discussed.

A nonzero gap two-dimensional carbon allotrope from porous graphene

Graphene has been one of the hottest topics in materials science in the last years. Because of its special electronic properties graphene is considered one of the most promising materials for future electronics. However, in its pristine form graphene is a gapless semiconductor, which poses some limitations to its use in some transistor electronics. Many approaches have been tried to create, in a controlled way, a gap in graphene. These approaches have obtained limited successes. Recently, hydrogenated graphene-like structures, the so-called porous graphene, have been synthesized. In this work we show, based on ab initio quantum molecular dynamics calculations, that porous graphene dehydrogenation can lead to a spontaneous formation of a nonzero gap two-dimensional carbon allotrope, called biphenylene carbon (BC). Besides exhibiting an intrinsic nonzero gap value, BC also presents well delocalized frontier orbitals, suggestive of a structure with high electronic mobility. Possible synthetic routes to obtain BC from porous graphene are addressed. © 2012 Materials Research Society.

Unravelling the reaction mechanism of matrix metalloproteinase 3 using QM/MM calculations

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Directed and elliptic flow of charged particles in Cu plus Cu collisions at root s(NN)=22.4 GeV

This paper reports results for directed flow v(1) and elliptic flow v(2) of charged particles in Cu + Cu collisions at root s(NN) = 22.4 GeV at the Relativistic Heavy Ion Collider. The measurements are for the 0-60% most central collisions, using charged particles observed in the STAR detector. Our measurements extend to 22.4-GeV Cu + Cu collisions the prior observation that v1 is independent of the system size at 62.4 and 200 GeV and also extend the scaling of v(1) with eta/y(beam) to this system. The measured v(2)(p(T)) in Cu + Cu collisions is similar for root s(NN) throughout the range 22.4 to 200 GeV. We also report a comparison with results from transport model (ultrarelativistic quantum molecular dynamics and multiphase transport model) calculations. The model results do not agree quantitatively with the measured v(1)(eta), v(2)(p(T)), and v(2)(eta).

Preparation of cold Mg + ion clouds for sympathetic cooling of highly charged ions at SPECTRAP

Die Elektronen in wasserstoff- und lithium-ähnlichen schweren Ionen sind den extrem starken elektrischen und magnetischen Feldern in der Umgebung des Kerns ausgesetzt. Die Laserspektroskopie der Hyperfeinaufspaltung im Grundzustand des Ions erlaubt daher einen sensitiven Test der Quantenelektrodynamik in starken Feldern insbesondere im magnetischen Sektor. Frühere Messungen an wasserstoffähnlichen Systemen die an einer Elektronenstrahl-Ionenfalle (EBIT) und am Experimentierspeicherring (ESR) der GSI Darmstadt durchgeführt wurden, waren in ihrer Genauigkeit durch zu geringe Statistik, einer starken Dopplerverbreiterung und der großen Unsicherheit in der Ionenenergie limitiert. Das ganze Potential des QED-Tests kann nur dann ausgeschöpft werden, wenn es gelingt sowohl wasserstoff- als auch lithium-ähnliche schwere Ionen mit einer um 2-3 Größenordnung gesteigerten Genauigkeit zu spektroskopieren. Um dies zu erreichen, wird gegenwärtig das neue Penningfallensystem SPECTRAP an der GSI aufgebaut und in Betrieb genommen. Es ist speziell für die Laserspektroskopie an gespeicherten hochgeladenen Ionen optimiert und wird in Zukunft von HITRAP mit nierderenergetischen hochgeladenen Ionen versorgt werden.rnrnSPECTRAP ist eine zylindrische Penningfalle mit axialem Zugang für die Injektion von Ionen und die Einkopplung eines Laserstrahls sowie einem radialen optischen Zugang für die Detektion der Fluoreszenz. Um letzteres zu realisieren ist der supraleitende Magnet als Helmholtz-Spulenpaar ausgelegt. Um die gewünschte Genauigkeit bei der Laserspektroskopie zu erreichen, muss ein effizienter und schneller Kühlprozess für die injizierten hochegeladenen Ionen realisiert werden. Dies kann mittels sympathetischer Kühlung in einer lasergekühlten Wolke leichter Ionen realisiert werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Lasersystem und eine Ionenquelle für die Produktion einer solchen 24Mg+ Ionenwolke aufgebaut und erfolgreich an SPECTRAP in Betrieb genommen. Dazu wurde ein Festkörperlasersystem für die Erzeugung von Licht bei 279.6 nm entworfen und aufgebaut. Es besteht aus einem Faserlaser bei 1118 nm der in zwei aufeinanderfolgenden Frequenzverdopplungsstufen frequenzvervierfacht wird. Die Verdopplerstufen sind als aktiv stabilisierte Resonantoren mit nichtlinearen Kristallen ausgelegt. Das Lasersystem liefert unter optimalen Bedingeungen bis zu 15 mW bei der ultravioletten Wellenlänge und erwies sich während der Teststrahlzeiten an SPECTRAP als ausgesprochen zuverlässig. Desweiteren wurde eine Ionequelle für die gepulste Injektion von Mg+ Ionen in die SPECTRAP Falle entwickelt. Diese basiert auf der Elektronenstoßionisation eines thermischen Mg-Atomstrahls und liefert in der gepulsten Extraktion Ionenbündel mit einer kleinen Impuls- und Energieverteilung. Unter Nutzung des Lasersystems konnten damit an SPECTRAP erstmals Ionenwolken mit bis zu 2600 lasergekühlten Mg Ionen erzeugt werden. Der Nachweis erfolgte sowohl mittels Fluoreszenz als auch mit der FFT-ICR Technik. Aus der Analyse des Fluoreszenz-Linienprofils lässt sich sowohl die Sensitivität auf einzelne gespeicherte Ionen als auch eine erreichte Endtemperatur in der Größenordnung von ≈ 100 mK nach wenigen Sekunden Kühlzeit belegen.

The Driven Harmonic Oscillator in Chemistry

The molecular dynamical simulation of the normal vibrational mode of water which involves H-O-H angle deformation, when driven by an external force, can be used to see how a driven harmonic oscillator, classically, is associated with the infra-red spectrum of water (and the absorption for this particular normal mode).

Progress toward chemical accuracy in the computer simulation of condensed phase reactions.

We describe a procedure for the generation of chemically accurate computer-simulation models to study chemical reactions in the condensed phase. The process involves (i) the use of a coupled semiempirical quantum and classical molecular mechanics method to represent solutes and solvent, respectively; (ii) the optimization of semiempirical quantum mechanics (QM) parameters to produce a computationally efficient and chemically accurate QM model; (iii) the calibration of a quantum/classical microsolvation model using ab initio quantum theory; and (iv) the use of statistical mechanical principles and methods to simulate, on massively parallel computers, the thermodynamic properties of chemical reactions in aqueous solution. The utility of this process is demonstrated by the calculation of the enthalpy of reaction in vacuum and free energy change in aqueous solution for a proton transfer involving methanol, methoxide, imidazole, and imidazolium, which are functional groups involved with proton transfers in many biochemical systems. An optimized semiempirical QM model is produced, which results in the calculation of heats of formation of the above chemical species to within 1.0 kcal/mol (1 kcal = 4.18 kJ) of experimental values. The use of the calibrated QM and microsolvation QM/MM (molecular mechanics) models for the simulation of a proton transfer in aqueous solution gives a calculated free energy that is within 1.0 kcal/mol (12.2 calculated vs. 12.8 experimental) of a value estimated from experimental pKa values of the reacting species.