Inelastic current-voltage spectroscopy of atomic wires

A tight-binding model is developed to describe the electron-phonon coupling in atomic wires under an applied voltage and to model, their inelastic current-voltage spectroscopy. Particular longitudinal phonons are found to have greatly enhanced coupling to the electronic states of the system. This leads to a large drop in differential conductance at threshold energies associated with these phonons. It is found that with increasing tension these energies decrease, while the size of the conductance drops increases, in agreement with experiment.

Temperature-dependent gap edge in strong-coupling superconductors determined using the Eliashberg-Nambu formalism

Using the theory of Eliashberg and Nambu for strong-coupling superconductors, we have calculated the gap function for a model superconductor and a selection of real superconductors includong the elements Al, Sn, Tl, Nb, In, Pb and Hg and one alloy, Bi2Tl. We have determined thetemperature-dependent gap edge in each and found that in materials with weak electron-phonon ($\lambda 1.20$), not only is the gap edge double valued but it also departs significantly from the BCS form and develops a shoulderlike structure which may, in some cases, denote a gap edge exceeding the $T = 0$ value. These computational results support the insights obtained by Leavens in an analytic consideration of the general problem. Both the shoulder and double value arise from a common origin seated in the form of the gap function in strong coupled materials at finite temperatures. From the calculated gap function, we can determine the densities of states in the materials and the form of the tunneling current-voltage characteristics for junctions with these materials as electroddes. By way of illustration, results are shown for the contrasting cases of Sn ($\lambda=0.74$) and Hg ($\lambad=1.63$). The reported results are distinct in several ways from BCS predictions and provide an incentive determinative experimental studies with techniques such as tunneling and far infrared absorption.

Nonlinearity Induced Entanglement Stability in a Qubit-Oscillator System

We consider a system composed of a qubit interacting with a quartic (undriven) nonlinear oscillator (NLO) through a conditional displacement Hamiltonian. We show that even a modest nonlinearity can enhance and stabilize the quantum entanglement dynamically generated between the qubit and the NLO. In contrast to the linear case, in which the entanglement is known to oscillate periodically between zero and its maximal value, the nonlinearity suppresses the dynamical decay of the entanglement once it is established. While the entanglement generation is due to the conditional displacements, as noted in several works before, the suppression of its decay is related to the presence of squeezing and other complex processes induced by two- and four-phonon interactions. Finally, we solve the respective Markovian master equation, showing that the previous features are preserved also when the system is open.

A DIRECT INVERSION METHOD FOR SURFACE-STRUCTURE DETERMINATION FROM LEED INTENSITIES

LOW-ENERGY electron diffraction (LEED) has become the most successful technique in surface crystallography1, but because of the complexity of the surface-electron scattering interactions, analyses of LEED data are still conducted on a trial-and-error basis: a direct-inversion method for treating LEED intensity data remains an attractive goal2. Building on recent theoretical and experimental developments in electron holography from surface structures3-16, we show here that three-dimensional images with atomic resolution can be obtained by a direct transform of conventional LEED intensity spectra.

Pressure dependence of spin fluctuations in metallic glasses Zrâ â Niâ â ,Zrâ â (Nix/Feâ â â -x)â â and /Zrx/feâ â â -x

The superconducting transition temperature Tc of metallic glasses ZrxFelOO-x (x=80, 75), Zr75(NixFelOO-x)25 (x=75, 50, 25), and CU2SZr75 were measured under quasi-hydrostatic pressure up to 8 OPa (80kbar). The volume (pressure) dependence of the electron-phonon coupling parameters Aep for CU25Zr75 was calculated using the McMillan equatio11. Using this volume dependence of Aep and the modified McMillan equation which incorporates spin-fluctuations, the volume dependence of the spin fluctuation parameter, Asf, was determined in Zr75Ni25, ZrxFelOO-x , a11d Zr75(NixFelOO-x)25. It was found that with increasing pressure, spinfluctuations are suppressed at a faster rate in ZrxFe lOO-x and Zr75(NixFelOO-x)25, as Fe concentration is increased. The rate of suppression of spin-fluctuations with pressure was also found to be higher in Fe-Zr glasses than in Ni-Zr glasses of similar composition.

Etudes ab initio des effets de la température sur le spectre optique des semi-conducteurs

Thèse réalisée en cotutelle avec l'Université Catholique de Louvain (Belgique)

Etude ab initio du pnicture de fer supraconducteur LaOFeAs

Le présent mémoire traite de la description du LaOFeAs, le premier matériau découvert de la famille des pnictures de fer, par la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). Plus particulièrement, nous allons exposer l’état actuel de la recherche concernant ce matériau avant d’introduire rapidement la DFT. Ensuite, nous allons regarder comment se comparent les paramètres structuraux que nous allons calculer sous différentes phases par rapport aux résultats expérimentaux et avec les autres calculs DFT dans la littérature. Nous allons aussi étudier en détails la structure électronique du matériau sous ses différentes phases magnétiques et structurales. Nous emploierons donc les outils normalement utilisés pour mieux comprendre la structure électronique : structures de bandes, densités d’états, surfaces de Fermi, nesting au niveau de Fermi. Nous tirerons profit de la théorie des groupes afin de trouver les modes phononiques permis par la symétrie de notre cristal. De plus, nous étudierons le couplage électrons-phonons pour quelques modes. Enfin, nous regarderons l’effet de différentes fonctionnelles sur nos résultats pour voir à quel point ceux-ci sont sensibles à ce choix. Ainsi, nous utiliserons la LDA et la PBE, mais aussi la LDA+U et la PBE+U.

Analyse des propriétés électroniques de supraconducteurs à l’aide de la théorie de la fonctionnelle de la densité

Cette thèse traite de la structure électronique de supraconducteurs telle que déterminée par la théorie de la fonctionnelle de la densité. Une brève explication de cette théorie est faite dans l’introduction. Le modèle de Hubbard est présenté pour pallier à des problèmes de cette théorie face à certains matériaux, dont les cuprates. L’union de deux théories donne la DFT+U, une méthode permettant de bien représenter certains systèmes ayant des électrons fortement corrélés. Par la suite, un article traitant du couplage électron- phonon dans le supraconducteur NbC1−xNx est présenté. Les résultats illustrent bien le rôle de la surface de Fermi dans le mécanisme d’appariement électronique menant à la supraconductivité. Grâce à ces résultats, un modèle est développé qui permet d’expliquer comment la température de transition critique est influencée par le changement des fré- quences de vibration du cristal. Ensuite, des résultats de calcul d’oscillations quantiques obtenus par une analyse approfondie de surfaces de Fermi, permettant une comparaison directe avec des données expérimentales, sont présentés dans deux articles. Le premier traite d’un matériau dans la famille des pnictures de fer, le LaFe2P2. L’absence de su- praconductivité dans ce matériau s’explique par la différence entre sa surface de Fermi obtenue et celle du supraconducteur BaFe2As2. Le second article traite du matériau à fermions lourds, le YbCoIn5. Pour ce faire, une nouvelle méthode efficace de calcul des fréquences de Haas-van Alphen est développée. Finalement, un dernier article traitant du cuprate supraconducteur à haute température critique YBa2Cu3O6.5 est présenté. À l’aide de la DFT+U, le rôle de plusieurs ordres magnétiques sur la surface de Fermi est étudié. Ces résultats permettent de mieux comprendre les mesures d’oscillations quan- tiques mesurées dans ce matériau.

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.

Ablation laser femtoseconde de verres métalliques de Cu_x Zr_(1−x) : une étude par dynamique moléculaire

L’ablation laser de verres métalliques de CuxZr1−x (x = 0.33, 0.50 et 0.67) et d’un alliage métallique cristallin de CuZr2 dans la structure C11b a été étudiée par dynamique moléculaire (DM) combinée à un modèle à deux températures (TTM). Le seuil d’ablation (Fth) a été déterminé pour chacun des 4 échantillons et s'est avéré plus bas pour les échantillons plus riches en Cu étant donné que la cohésion du Cu est plus faible que celle du Zr dans tous les échantillons. Pour x=0.33, Fth est plus bas pour le cristal que pour l’amorphe car le couplage électron-phonon est plus faible dans ce dernier, ce qui implique que l’énergie est transférée plus lentement du système électronique vers le système ionique pour le a-CuZr2 que le c-CuZr2. La vitesse de l’onde de pression créée par l’impact du laser croît avec la fluence dans l’échantillon cristallin, contrairement aux échantillons amorphes dans lesquels sa vitesse moyenne est relativement constante avec la fluence. Ceci est expliqué par le fait que le module de cisaillement croît avec la pression pour le cristal, ce qui n’est pas le cas pour les verres métalliques étudiés. Finalement, la zone affectée par la chaleur (HAZ) a été étudiée via la profondeur de fusion et les déformations plastiques. La plus faible température de fusion des échantillons amorphes implique que la profondeur de fusion est plus importante dans ceux-ci que dans l’échantillon cristallin. Dans les verres métalliques, les déformations plastiques ont été identifiées sous forme de zones de transformation par cisaillement (STZ) qui diffusent et fusionnent à plus haute fluence. Aucune déformation plastique importante n’a été identifiée dans le c-CuZr2 mis à part de légères déformations près du front de fusion causées par les contraintes résiduelles. Ce travail a ainsi permis d’améliorer notre compréhension de l’ablation laser sur les verres métalliques et de l’étendue des dommages qu’elle peut entraîner.

Studies on High- Tc Superconductors with Inequivalent Conducting Layers

The thesis deals with the study of super conducting properties of layered cuprates within the frame work of a modified Lawrence-Doniach (LD) model. The thesis is organized in seven chapters. Chapter I is a survey of the phenomena and theories of conventional superconductivity which can serve as a springboard for launching the study of the new class of oxide superconductors and it also includes a chronological description of the efforts made to overcome the temperature barrier. Chapter II deals with the structure and properties of the copper oxide superconductors and also the experimental constraints on the theories of high te:::nperature superconductivity. A modified Lawrence-Doniach type of phenomenological model which forms the basis of the presnt study is also discussed. In chapter III~ the temperature dependence of the upper critical field both parallel and perpendicular to the layers is determined and the results are compared with d.c. magnetization measurements on different superconducting compoilllds. The temperature and angular dependence of the lower critical field both parallel and perpendicular to the layers is also discussed. Chapters IV, V and VI deal with thermal fluctuation effects on superconducting properties. Fluctuation specific heat is studied in chapter IV. Paraconductivity both parallel and perpendicular to the layers is discussed in chapter V. Fluctuation diamagnetism is dealt with in chapter VI. Dimensional cross over in the fluctuation regime of all these quantities is also discussed. Chapter VII gives a summary of the results and the conclusions arrived at.

Atomistic-continuum modeling of ultrafast laser-induced melting of silicon targets

In this work, we present an atomistic-continuum model for simulations of ultrafast laser-induced melting processes in semiconductors on the example of silicon. The kinetics of transient non-equilibrium phase transition mechanisms is addressed with MD method on the atomic level, whereas the laser light absorption, strong generated electron-phonon nonequilibrium, fast heat conduction, and photo-excited free carrier diffusion are accounted for with a continuum TTM-like model (called nTTM). First, we independently consider the applications of nTTM and MD for the description of silicon, and then construct the combined MD-nTTM model. Its development and thorough testing is followed by a comprehensive computational study of fast nonequilibrium processes induced in silicon by an ultrashort laser irradiation. The new model allowed to investigate the effect of laser-induced pressure and temperature of the lattice on the melting kinetics. Two competing melting mechanisms, heterogeneous and homogeneous, were identified in our big-scale simulations. Apart from the classical heterogeneous melting mechanism, the nucleation of the liquid phase homogeneously inside the material significantly contributes to the melting process. The simulations showed, that due to the open diamond structure of the crystal, the laser-generated internal compressive stresses reduce the crystal stability against the homogeneous melting. Consequently, the latter can take a massive character within several picoseconds upon the laser heating. Due to the large negative volume of melting of silicon, the material contracts upon the phase transition, relaxes the compressive stresses, and the subsequent melting proceeds heterogeneously until the excess of thermal energy is consumed. A series of simulations for a range of absorbed fluences allowed us to find the threshold fluence value at which homogeneous liquid nucleation starts contributing to the classical heterogeneous propagation of the solid-liquid interface. A series of simulations for a range of the material thicknesses showed that the sample width we chosen in our simulations (800 nm) corresponds to a thick sample. Additionally, in order to support the main conclusions, the results were verified for a different interatomic potential. Possible improvements of the model to account for nonthermal effects are discussed and certain restrictions on the suitable interatomic potentials are found. As a first step towards the inclusion of these effects into MD-nTTM, we performed nanometer-scale MD simulations with a new interatomic potential, designed to reproduce ab initio calculations at the laser-induced electronic temperature of 18946 K. The simulations demonstrated that, similarly to thermal melting, nonthermal phase transition occurs through nucleation. A series of simulations showed that higher (lower) initial pressure reinforces (hinders) the creation and the growth of nonthermal liquid nuclei. For the example of Si, the laser melting kinetics of semiconductors was found to be noticeably different from that of metals with a face-centered cubic crystal structure. The results of this study, therefore, have important implications for interpretation of experimental data on the kinetics of melting process of semiconductors.

Oxygen precipitation in Czochralski grown silicon heat treated at 525 degrees C

The diffusion of interstitial oxygen In silicon at 525 degrees C is studied using time-of-flight small-angle neutron scattering (SANS) to separate the elastic scattering from oxygen-containing aggregates from the inelastic scattering from neutron-phonon interactions. The growth of oxygen-containing aggregates as a function of time gives a diffusion coefficient, D, calculated from Ham's theory, that is I factor of similar to 3.8 +/- 1.4 times higher than that expected by extrapolation of higher and lower temperature data (D = 0.13 exp(-2.53 eV kT(-1)) cm(2) s(-1)). This result confirms previous observations of enhanced diffusion at intermediate temperatures (400 degrees C-650 degrees C) although the magnitude of the enhancement we find is Much smaller than that reported by some others.

CALCULATION OF MAGNETODONOR STATES IN InP AND POLARON EFFECTS

Far-infrared transitions in polar semiconductors are known to be affected by the presence of shallow donor impurities, external magnetic fields and the electron-LO-phonon interaction. We calculate the magnetodonor states in indium phosphide by a diagonalization procedure, and introduce the electron-phonon interaction by the Frohlich term. The main effects of this perturbation are calculated by a multi-level version of the Wigner-Brillouin theory. We determine the transition energies, from the ground state to excited states, and find good qualitative agreement with recently reported absorption-spectroscopy measurements in the 100-800 cm(-1) range, with applied magnetic fields up to 30 T. Our calculations suggest that experimental peak splittings in the 400-450 cm(-1) range are due to the electron-phonon interaction.