Quasilocal density functional theory and its application within the extended Thomas-Fermi approximation

In this paper we propose a generalization of the density functional theory. The theory leads to single-particle equations of motion with a quasilocal mean-field operator, which contains a quasiparticle position-dependent effective mass and a spin-orbit potential. The energy density functional is constructed using the extended Thomas-Fermi approximation and the ground-state properties of doubly magic nuclei are considered within the framework of this approach. Calculations were performed using the finite-range Gogny D1S forces and the results are compared with the exact Hartree-Fock calculations

Reentrant transition induced by multiplictative noise in the Time Dependent Ginzburg-Landau model

An effect of multiplicative noise in the time-dependent Ginzburg-Landau model is reported, namely, that noise at a relatively low intensity induces a phase transition towards an ordered state, whereas strong noise plays a destructive role, driving the system back to its disordered state through a reentrant phase transition. The phase diagram is calculated analytically using a mean-field theory and a more sophisticated approach and is compared with the results from extensive numerical simulations.

Coarsening of solid-liquid mixtures in a random acceleration field

The effects of flow induced by a random acceleration field (g-jitter) are considered in two related situations that are of interest for microgravity fluid experiments: the random motion of isolated buoyant particles, and diffusion driven coarsening of a solid-liquid mixture. We start by analyzing in detail actual accelerometer data gathered during a recent microgravity mission, and obtain the values of the parameters defining a previously introduced stochastic model of this acceleration field. The diffusive motion of a single solid particle suspended in an incompressible fluid that is subjected to such random accelerations is considered, and mean squared velocities and effective diffusion coefficients are explicitly given. We next study the flow induced by an ensemble of such particles, and show the existence of a hydrodynamically induced attraction between pairs of particles at distances large compared with their radii, and repulsion at short distances. Finally, a mean field analysis is used to estimate the effect of g-jitter on diffusion controlled coarsening of a solid-liquid mixture. Corrections to classical coarsening rates due to the induced fluid motion are calculated, and estimates are given for coarsening of Sn-rich particles in a Sn-Pb eutectic fluid, an experiment to be conducted in microgravity in the near future.

Scaling calculation of isoscalar giant resonances in relativistic Thomas-Fermi theory

We derive analytical expressions for the excitation energy of the isoscalar giant monopole and quadrupole resonances in finite nuclei, by using the scaling method and the extended ThomasFermi approach to relativistic mean-field theory. We study the ability of several nonlinear σω parameter sets of common use in reproducing the experimental data. For monopole oscillations the calculations agree better with experiment when the nuclear matter incompressibility of the relativistic interaction lies in the range 220260 MeV. The breathing-mode energies of the scaling method compare satisfactorily with those obtained in relativistic RPA and time-dependent mean-field calculations. For quadrupole oscillations, all the analyzed nonlinear parameter sets reproduce the empirical trends reasonably well.

Weakly linked binary mixtures of F = 1 87Rb Bose-Einstein condensates

We present a study of binary mixtures of Bose-Einstein condensates confined in a double-well potential within the framework of the mean field Gross-Pitaevskii (GP) equation. We re-examine both the single component and the binary mixture cases for such a potential, and we investigate what are the situations in which a simpler two-mode approach leads to an accurate description of their dynamics. We also estimate the validity of the most usual dimensionality reductions used to solve the GP equations. To this end, we compare both the semi-analytical two-mode approaches and the numerical simulations of the one-dimensional (1D) reductions with the full 3D numerical solutions of the GP equation. Our analysis provides a guide to clarify the validity of several simplified models that describe mean-field nonlinear dynamics, using an experimentally feasible binary mixture of an F = 1 spinor condensate with two of its Zeeman manifolds populated, m = ±1.

Weakly linked binary mixtures of F = 1 87Rb Bose-Einstein condensates

We present a study of binary mixtures of Bose-Einstein condensates confined in a double-well potential within the framework of the mean field Gross-Pitaevskii (GP) equation. We re-examine both the single component and the binary mixture cases for such a potential, and we investigate what are the situations in which a simpler two-mode approach leads to an accurate description of their dynamics. We also estimate the validity of the most usual dimensionality reductions used to solve the GP equations. To this end, we compare both the semi-analytical two-mode approaches and the numerical simulations of the one-dimensional (1D) reductions with the full 3D numerical solutions of the GP equation. Our analysis provides a guide to clarify the validity of several simplified models that describe mean-field nonlinear dynamics, using an experimentally feasible binary mixture of an F = 1 spinor condensate with two of its Zeeman manifolds populated, m = ±1.

Le pergélisol dans les terrains sédimentaires à forte déclivité: distribution, régime thermique et instabilités

Résumé: Dans le contexte d'un climat de plus en plus chaud, la localisation du pergélisol dans les terrains sédimentaires à forte déclivité et l'évaluation des mouvements de terrain qui y ont cours s'avèrent primordiales. S'insérant dans cette problématique, ce travail de thèse s'articule autour de deux axes de recherche différents. D'un point de vue statique, cette recherche propose une étude de la distribution et des caractéristiques du pergélisol dans les éboulis de la zone périglaciaire alpine. D'un point de vue dynamique, une analyse de l'influence des caractéristiques du pergélisol (teneur en glace, température du pergélisol, etc.) et des variations des températures de l'air et du sol sur les vitesses de fluage des corps sédimentaires gelés est effectuée. Afin de répondre à ce double objectif, l'approche "terrain" a été privilégiée. Pour déterminer la répartition et les caractéristiques du pergélisol, les méthodes traditionnelles de prospection du pergélisol ont été utilisées, à savoir la mesure de la température du sol à la base du manteau neigeux (BTS), la mesure de la température du sol en continu ainsi que la méthode géoélectrique. Les mouvements de terrain ont pour leur part été mesurés à l'aide d'un GPS différentiel. L'étude de la distribution du pergélisol a été effectuée dans une quinzaine d'éboulis situés dans les régions du Mont Gelé (Verbier-Nendaz) et d'Arolla principalement. Dans la plupart des cas, un pergélisol a pu être mis en évidence dans la partie inférieure des accumulations sédimentaires, alors que la partie médiane des éboulis n'est, le plus souvent, pas gelée. Si cette absence de pergélisol se prolonge parfois dans les portions sommitales des pentes, les mesures réalisées montrent que dans d'autres cas des sédiments gelés y sont à nouveau présents. Les résistivités électriques mesurées dans les portions gelées des éboulis étudiés sont dans la plupart des cas nettement inférieures à celles mesurées sur les glaciers rocheux. Des études préalables ont montré que des circulations d'air internes sont responsables de l'anomalie thermique négative et, lorsqu'il existe, du pergélisol que l'on trouve dans la partie inférieure d'éboulis situés plus de 1000 m plus bas que la limite inférieure régionale du pergélisol discontinu. L'étude de quatre sites de basse altitude (1400-1900 m), et notamment l'équipement du site de Dreveneuse (Préalpes Valaisannes) avec deux forages, des capteurs de température de surface et un anémomètre a permis de vérifier et de préciser le mécanisme de ventilation actif au sein des éboulis froids de basse altitude. Ce mécanisme fonctionne de la manière suivante: en hiver, l'air contenu dans l'éboulis, plus chaud et plus léger que l'air extérieur, monte à l'intérieur de l'accumulation sédimentaire et est expulsé dans ses parties sommitales. Cet effet de cheminée provoque une aspiration d'air froid à l'intérieur de la partie inférieure de l'éboulis, causant ainsi un sur-refroidissement marqué du terrain. En été, le mécanisme s'inverse, l'éboulis étant plus froid que l'air environnant. De l'air froid est alors expulsé au bas de la pente. Une ventilation ascendante hivernale a pu être mise en évidence dans certains des éboulis de haute altitude étudiés. Elle est probablement en grande partie responsable de la configuration particulière des zones gelées observées. Même si l'existence d'un effet de cheminée n'a pu être démontrée dans tous les cas, du fait notamment de la glace interstitielle qui entrave le cheminement de l'air, des indices laissant présager son possible fonctionnement existent dans la quasi totalité des éboulis étudiés. L'absence de pergélisol à des altitudes qui lui sont favorables pourrait en tous les cas s'expliquer par un réchauffement du terrain lié à des expulsions d'air relativement chaud. L'étude des mouvements de terrain a été effectuée sur une dizaine de sites, principalement sur des glaciers rocheux, mais également sur une moraine de poussée et - II - Résumé ? abstract quelques éboulis. Plusieurs glaciers rocheux présentent des formes de déstabilisation récente (niches d'arrachement, blocs basculés, apparition de la matrice fine à la surface, etc.), ce qui témoigne d'une récente accélération des vitesses de déplacement. Ce phénomène, qui semble général à l'échelle alpine, est probablement à mettre sur le compte du réchauffement du pergélisol depuis une vingtaine d'années. Les vitesses mesurées sur ces formations sont souvent plus élevées que les valeurs habituellement proposées dans la littérature. On note par ailleurs une forte variabilité inter-annuelle des vitesses, qui semblent dépendre de la variation de la température moyenne annuelle de surface. Abstract: In the context of a warmer climate, the localisation of permafrost in steep sedimentary terrain and the measurement of terrain movements that occur in these areas is of great importance. With respect to these problems, this PhD thesis follows two different research axes. From a static point of view, the research presents a study of the permafrost distribution and characteristics in the talus slopes of the alpine periglacial belt. From a dynamic point of view, an analysis of the influence of the permafrost characteristics (ice content, permafrost temperature, etc.) and air and soil temperature variations on the creep velocities of frozen sedimentary bodies is carried out. In order to attain this double objective, the "field" approach was favoured. To determine the distribution and the characteristics of permafrost, the traditional methods of permafrost prospecting were used, i.e. ground surface temperature measurements at the base of the snow cover (BTS), year-round ground temperature measurements and DC-resistivity prospecting. The terrain movements were measured using a differential GPS. The permafrost distribution study was carried out on 15 talus slopes located mainly in the Mont Gelé (Verbier-Nendaz) and Arolla areas (Swiss Alps). In most cases, permafrost was found in the lower part of the talus slope, whereas the medium part was free of ice. In some cases, the upper part of the talus is also free of permafrost, whereas in other cases permafrost is present. Electrical resistivities measured in the frozen parts of the studied talus are in most cases clearly lower than those measured on rock glaciers. Former studies have shown that internal air circulation is responsible for the negative thermal anomaly and, when it exists, the permafrost present in the lower part of talus slopes located more than 1000 m below the regional lower limit of discontinuous permafrost. The study of four low-altitude talus slopes (1400-1900 m), and notably the equipment of Dreveneuse field site (Valais Prealps) with two boreholes, surface temperature sensors and an anemometer permitted to verify and to detail the ventilation mechanism active in low altitude talus slopes. This mechanism works in the following way: in winter, the air contained in the block accumulation is warmer and lighter than the surrounding air and therefore moves upward in the talus and is expelled in its upper part. This chimney effect induces an aspiration of cold air in the interior of the lower part of talus, that causes a strong overcooling of the ground. In summer, the mechanism is reversed because the talus slope is colder than the surrounding air. Cold air is then expelled in the lower part of the slope. Evidence of ascending ventilation in wintertime could also be found in some of the studied high-altitude talus slopes. It is probably mainly responsible for the particular configuration of the observed frozen areas. Even if the existence of a chimney effect could not be demonstrated in all cases, notably because of interstitial ice that obstructs Résumé ? abstract - III - the air circulation, indices of its presence exist in nearly all the studied talus. The absence of permafrost at altitudes favourable to its presence could be explained, for example, by the terrain warming caused by expulsion of relatively warm air. Terrain movements were measured at about ten sites, mainly on rock glaciers, but also on a push moraine and some talus slopes. Field observations reveal that many rock glaciers display recent destabilization features (landslide scars, tilted blocks, presence of fine grained sediments at the surface, etc.) that indicate a probable recent acceleration of the creep velocities. This phenomenon, which seems to be widespread at the alpine scale, is probably linked to the permafrost warming during the last decades. The measured velocities are often higher than values usually proposed in the literature. In addition, strong inter-annual variations of the velocities were observed, which seems to depend on the mean annual ground temperature variations.

Incompressibility of neutron-rich matter

The saturation properties of neutron-rich matter are investigated in a relativistic mean-field formalism using two accurately calibrated models: NL3 and FSUGold. The saturation properties density, binding energy per nucleon, and incompressibility coefficient are calculated as a function of the neutron-proton asymmetry α≡(N-Z)/A to all orders in α. Good agreement (at the 10% level or better) is found between these numerical calculations and analytic expansions that are given in terms of a handful of bulk parameters determined at saturation density. Using insights developed from the analytic approach and a general expression for the incompressibility coefficient of infinite neutron-rich matter, i.e., K0(α)=K0+Kτα2+ , we construct a hybrid model with values for K0 and Kτ as suggested by recent experimental findings. Whereas the hybrid model provides a better description of the measured distribution of isoscalar monopole strength in the Sn isotopes relative to both NL3 and FSUGold, it significantly underestimates the distribution of strength in 208Pb. Thus, we conclude that the incompressibility coefficient of neutron-rich matter remains an important open problem.

Méthodes de génération et de validation de champs de déformation pour la recombinaison de distribution de dose à l’aide d’images 4DCT dans le cadre d’une planification de traitement de cancers pulmonaires

Des efforts de recherche considérables ont été déployés afin d'améliorer les résultats de traitement de cancers pulmonaires. L'étude de la déformation de l'anatomie du patient causée par la ventilation pulmonaire est au coeur du processus de planification de traitement radio-oncologique. À l'aide d'images de tomodensitométrie quadridimensionnelles (4DCT), une simulation dosimétrique peut être calculée sur les 10 ensembles d'images du 4DCT. Une méthode doit être employée afin de recombiner la dose de radiation calculée sur les 10 anatomies représentant une phase du cycle respiratoire. L'utilisation de recalage déformable d'images (DIR), une méthode de traitement d'images numériques, génère neuf champs vectoriels de déformation permettant de rapporter neuf ensembles d'images sur un ensemble de référence correspondant habituellement à la phase d'expiration profonde du cycle respiratoire. L'objectif de ce projet est d'établir une méthode de génération de champs de déformation à l'aide de la DIR conjointement à une méthode de validation de leur précision. Pour y parvenir, une méthode de segmentation automatique basée sur la déformation surfacique de surface à été créée. Cet algorithme permet d'obtenir un champ de déformation surfacique qui décrit le mouvement de l'enveloppe pulmonaire. Une interpolation volumétrique est ensuite appliquée dans le volume pulmonaire afin d'approximer la déformation interne des poumons. Finalement, une représentation en graphe de la vascularisation interne du poumon a été développée afin de permettre la validation du champ de déformation. Chez 15 patients, une erreur de recouvrement volumique de 7.6 ± 2.5[%] / 6.8 ± 2.1[%] et une différence relative des volumes de 6.8 ± 2.4 [%] / 5.9 ± 1.9 [%] ont été calculées pour le poumon gauche et droit respectivement. Une distance symétrique moyenne 0.8 ± 0.2 [mm] / 0.8 ± 0.2 [mm], une distance symétrique moyenne quadratique de 1.2 ± 0.2 [mm] / 1.3 ± 0.3 [mm] et une distance symétrique maximale 7.7 ± 2.4 [mm] / 10.2 ± 5.2 [mm] ont aussi été calculées pour le poumon gauche et droit respectivement. Finalement, 320 ± 51 bifurcations ont été détectées dans le poumons droit d'un patient, soit 92 ± 10 et 228 ± 45 bifurcations dans la portion supérieure et inférieure respectivement. Nous avons été en mesure d'obtenir des champs de déformation nécessaires pour la recombinaison de dose lors de la planification de traitement radio-oncologique à l'aide de la méthode de déformation hiérarchique des surfaces. Nous avons été en mesure de détecter les bifurcations de la vascularisation pour la validation de ces champs de déformation.

Influence of the driving mechanism on the response of systems with athermal dynamics: The example of the random-field Ising model

We investigate the influence of the driving mechanism on the hysteretic response of systems with athermal dynamics. In the framework of local mean-field theory at finite temperature (but neglecting thermally activated processes), we compare the rate-independent hysteresis loops obtained in the random field Ising model when controlling either the external magnetic field H or the extensive magnetization M. Two distinct behaviors are observed, depending on disorder strength. At large disorder, the H-driven and M-driven protocols yield identical hysteresis loops in the thermodynamic limit. At low disorder, when the H-driven magnetization curve is discontinuous (due to the presence of a macroscopic avalanche), the M-driven loop is reentrant while the induced field exhibits strong intermittent fluctuations and is only weakly self-averaging. The relevance of these results to the experimental observations in ferromagnetic materials, shape memory alloys, and other disordered systems is discussed.

Effects of new nonlinear couplings in relativistic effective field theory

We extend the relativistic mean field theory model of Sugahara and Toki by adding new couplings suggested by modern effective field theories. An improved set of parameters is developed with the goal to test the ability of the models based on effective field theory to describe the properties of finite nuclei and, at the same time, to be consistent with the trends of Dirac-Brueckner-Hartree-Fock calculations at densities away from the saturation region. We compare our calculations with other relativistic nuclear force parameters for various nuclear phenomena.

Quasilocal density functional theory and its application within the extended Thomas-Fermi approximation

In this paper we propose a generalization of the density functional theory. The theory leads to single-particle equations of motion with a quasilocal mean-field operator, which contains a quasiparticle position-dependent effective mass and a spin-orbit potential. The energy density functional is constructed using the extended Thomas-Fermi approximation and the ground-state properties of doubly magic nuclei are considered within the framework of this approach. Calculations were performed using the finite-range Gogny D1S forces and the results are compared with the exact Hartree-Fock calculations

Electron-Nuclear Correlation in Laser-Driven Diatomic Molecules

The interaction of short intense laser pulses with atoms/molecules produces a multitude of highly nonlinear processes requiring a non-perturbative treatment. Detailed study of these highly nonlinear processes by numerically solving the time-dependent Schrodinger equation becomes a daunting task when the number of degrees of freedom is large. Also the coupling between the electronic and nuclear degrees of freedom further aggravates the computational problems. In the present work we show that the time-dependent Hartree (TDH) approximation, which neglects the correlation effects, gives unreliable description of the system dynamics both in the absence and presence of an external field. A theoretical framework is required that treats the electrons and nuclei on equal footing and fully quantum mechanically. To address this issue we discuss two approaches, namely the multicomponent density functional theory (MCDFT) and the multiconfiguration time-dependent Hartree (MCTDH) method, that go beyond the TDH approximation and describe the correlated electron-nuclear dynamics accurately. In the MCDFT framework, where the time-dependent electronic and nuclear densities are the basic variables, we discuss an algorithm to calculate the exact Kohn-Sham (KS) potentials for small model systems. By simulating the photodissociation process in a model hydrogen molecular ion, we show that the exact KS potentials contain all the many-body effects and give an insight into the system dynamics. In the MCTDH approach, the wave function is expanded as a sum of products of single-particle functions (SPFs). The MCTDH method is able to describe the electron-nuclear correlation effects as the SPFs and the expansion coefficients evolve in time and give an accurate description of the system dynamics. We show that the MCTDH method is suitable to study a variety of processes such as the fragmentation of molecules, high-order harmonic generation, the two-center interference effect, and the lochfrass effect. We discuss these phenomena in a model hydrogen molecular ion and a model hydrogen molecule. Inclusion of absorbing boundaries in the mean-field approximation and its consequences are discussed using the model hydrogen molecular ion. To this end, two types of calculations are considered: (i) a variational approach with a complex absorbing potential included in the full many-particle Hamiltonian and (ii) an approach in the spirit of time-dependent density functional theory (TDDFT), including complex absorbing potentials in the single-particle equations. It is elucidated that for small grids the TDDFT approach is superior to the variational approach.

Simple finite field method for calculation of static and dynamic vibrational hyperpolarizabilities: curvature contributions

In the static field limit, the vibrational hyperpolarizability consists of two contributions due to: (1) the shift in the equilibrium geometry (known as nuclear relaxation), and (2) the change in the shape of the potential energy surface (known as curvature). Simple finite field methods have previously been developed for evaluating these static field contributions and also for determining the effect of nuclear relaxation on dynamic vibrational hyperpolarizabilities in the infinite frequency approximation. In this paper the finite field approach is extended to include, within the infinite frequency approximation, the effect of curvature on the major dynamic nonlinear optical processes

El risc dinàmic: concepte, mesura i determinants econòmics

Aquesta tesi té la intenció de realitzar una contribució metodològica en el camp de la direcció estratègica, per mitjà de tres objectius: la revisió del concepte de risc ex post o realitzat per l'àmbit de la direcció estratègica; la concreció d'aquest concepte en una mesura de risc vàlida; i l'exploració de les possibilitats i l'interès de la descomposició del risc en diferents determinants que puguin explicar-ne la seva naturalesa. El primer objectiu es du a terme prenent com a base el concepte intuïtiu de risc i revisant la literatura en els camps més afins, especialment en la teoria comportamental de la decisió i la direcció estratègica. L'anàlisi porta a formular el risc ex post d'una activitat com el grau en què no s'han assolit els objectius per a aquesta activitat. La concreció d'aquesta definició al camp de la direcció estratègica implica que els objectius han de portar a l'obtenció de l'avantatge competitiu sostenible, el que descobreix l'interès de realitzar la mesura del risc a curt termini, és a dir, estàticament, i a llarg termini, és a dir, dinàmicament, pel que es defineix una mesura de Risc Estàtic i una altra de Risc dinàmic, respectivament. En l'anàlisi apareixen quatre dimensions conceptuals bàsiques a incorporar en les mesures: sign dependence, relativa, longitudinal i path dependence. Addicionalment, la consideració de que els resultats puguin ser cardinals o ordinals justifica que es formulin les dues mesures anteriors per a resultats cardinals i, en segon lloc, per a resultats ordinals. Les mesures de risc que es proposen sintetitzen els resultats ex post obtinguts en una mesura de centralitat relativa dels resultats, el Risc Estàtic, i una mesura de la tendència temporal dels resultats, el Risc Dinàmic. Aquesta proposta contrasta amb el plantejament tradicional dels models esperança-variància. Les mesures desenvolupades s'avaluen amb un sistema de propietats conceptuals i tècniques que s'elaboren expressament en la tesi i que permeten demostrar el seu gra de validesa i el de les mesures existents en la literatura, destacant els problemes de validesa d'aquestes darreres. També es proporciona un exemple teòric il·lustratiu de les mesures proposades que dóna suport a l'avaluació realitzada amb el sistema de propietats. Una contribució destacada d'aquesta tesi és la demostració de que les mesures de risc proposades permeten la descomposició additiva del risc si els resultats o diferencials de resultats es descomponen additivament. Finalment, la tesi inclou una aplicació de les mesures de Risc Estàtic i Dinàmic cardinals, així com de la seva descomposició, a l'anàlisi de la rendibilitat del sector bancari espanyol, en el període 1987-1999. L'aplicació il·lustra la capacitat de les mesures proposades per a analitzar la manifestació de l'avantatge competitiu, la seva evolució i naturalesa econòmica. En les conclusions es formulen possibles línees d'investigació futures.