Single- and double-electron transfer reactions of ground and metastable state Ar2+ ions

Electron transfer cross sections have been measured for reactions of Ar2+ ions with Ar, N2, O2, CO2, CH4 and C2H6. Time-of-flight techniques have been used to measure both fast neutral Ar0 and fast Ar+ products from single- and double-electron transfer processes involving Ar2+ ions with 4.0 to 7.0 keV impact energies. Incident Ar2+ ions have produced by controlled electron impact ionisation of argon atoms. Reactions have been examined as a function of ionising electron energy and cross sections determined for ground state Ar2+(3P) ions. Charge transfer cross sections have been determined to be in the range of 3*10-16 cm2 for the systems examined. Double-electron transfer cross sections are the same order of magnitude as those measured for the corresponding single-electron transfer reactions. The state distribution of the reactant ion beam has been estimated and electron transfer cross sections obtained for single- and double-electron transfer reactions of metastable Ar2+ions. The magnitudes of electron transfer cross sections in individual systems are similar for both ground and metastable state Ar2+ reactions.

Low-temperature single-crystal Raman and neutron-diffraction study of the hydrogenous ammonium copper(II) tutton salt and the deuterated analogue in the metastable state

Low-temperature (15 K) single-crystal neutron-diffraction structures and Raman spectra of the salts (NX4)(2)[CU(OX2)(6)](SO4)(2), where X = H or D, are reported. This study is concerned with the origin of the structural phase change that is known to occur upon deuteration. Data for the deuterated salt were measured in the metastable state, achieved by application of 500 bar of hydrostatic pressure at similar to303 K followed by cooling to 281 K and the subsequent release of pressure. This allows for the direct comparison between the hydrogenous and deuterated salts, in the same modification, at ambient pressure and low temperature. The Raman spectra provide no intimation of any significant change in the intermolecular bonding. Furthermore, structural differences are few, the largest being for the long Cu-O bond, which is 2.2834(5) and 2.2802(4) Angstrom for the hydrogenous and the deuterated salts, respectively. Calorimetric data for the deuterated salt are also presented, providing an estimate of 0.17(2) kJ/mol for the enthalpy difference between the two structural forms at 295.8(5) K. The structural data suggest that substitution of hydrogen for deuterium gives rise to changes in the hydrogen-bonding interactions that result in a slightly reduced force field about the copper(II) center. The small structural differences suggest different relative stabilities for the hydrogenous and deuterated salts, which may be sufficient to stabilize the hydrogenous salt in the anomalous structural form.

Indirect hydrogen monitoring by chemi-ionisation following an associative ionisation pathway after metastable helium atoms production by electron impact ionisation: Protonation and deuteration of carrier gas

Gas chromatography (GC) is an analytical tool very useful to investigate the composition of gaseous mixtures. However, hydrogen (H2) detection after a GC separation is only possible with a Thermal Conductivity Detector (TCD), a Helium Ionisation Detector (HID) or expensive Atomic Emission Detector (AED). Recently, indirect H2 detection by GC coupled to mass spectrometry (MS) was demonstrated but the mechanism of carrier gas protonation remained unclear. With electron impact as ionisation source of MS and helium (He) as GC carrier gas, H2 is not ionised according the expected Penning ionisation neither according to the Associative ionisation. Rearrangement ionisation (RI) was found to be the main channel for H2 and D2 ionisation under GC-MS conditions used in most of laboratories using GC-MS, leading to the formation of [He−H]+ and [He−D]+ ions.

X-ray structure determination of a metastable state of carbonmonoxy myoglobin after photodissociation.

The x-ray structure of carbon monoxide (CO)-ligated myoglobin illuminated during data collection by a laser diode at the wavelength lambda = 690 nm has been determined to a resolution of 1.7 A at T = 36 K. For comparison, we also measured data sets of deoxymyoglobin and CO-ligated myoglobin. In the photon-induced structure the electron density associated with the CO ligand can be described by a tube extending from the iron into the heme pocket over more than 4 A. This density can be interpreted by two discrete positions of the CO molecule. One is close to the heme iron and can be identified to be bound CO. In the second, the CO is dissociated from the heme iron and lies on top of pyrrole ring C. At our experimental conditions the overall structure of myoglobin in the metastable state is close to the structure of a CO-ligated molecule. However, the iron has essentially relaxed into the position of deoxymyoglobin. We compare our results with those of Schlichting el al. [Schlichting, I., Berendzen, J., Phillips, G. N., Jr., & Sweet, R. M. (1994) Nature 317, 808-812], who worked with the myoglobin mutant (D122N) that crystallizes in the space group P6 and Teng et al. [Teng, T. Y., Srajer, V. & Moffat, K. (1994) Nat. Struct. Biol. 1, 701-705], who used native myoglobin crystals of the space group P2(1). Possible reasons for the structural differences are discussed.

Contraction et décontraction des décharges micro-ondes entretenues à la pression atmosphérique

Les colonnes de plasma entretenues par un champ électrique (continu ou alternatif) à haute pression (p > 10 Torr) sont affectées par les phénomènes de contraction (réduction de la section radiale de la décharge) et de filamentation (fragmentation de la section de plasma en plusieurs filaments). La compréhension de ces phénomènes ainsi que le développement d’une méthode pouvant les supprimer demeurent une étape essentielle pour l’optimisation de certains procédés plasma. Dans cette optique, un premier objectif de notre travail était de déterminer les mécanismes à l’origine de la contraction et de la filamentation dans les décharges créées dans des gaz rares. Ainsi, nous avons montré que dans les plasmas micro-ondes contractés la cinétique de la décharge est contrôlée par les ions moléculaires et que la contraction est liée à l’influence du gradient de la température du gaz sur la concentration de ces ions. De plus, nous avons mis en évidence que la filamentation apparaît lorsque l’inhomogénéité radiale du champ électrique devient importante. Dans un second temps, nous avons développé une méthode de décontraction et de défilamentation de la décharge, qui consiste à ajouter à une décharge initiale de gaz rare des traces d’un autre gaz rare de plus faible potentiel d’ionisation. Dans le cas des plasmas décontractés, nous avons démontré que la cinétique de la décharge n’est plus contrôlée par les ions moléculaires, ce qui confirme bien l’importance de ces ions dans la description de la contraction. Pour terminer, nous avons étendu à la pression atmosphérique la technique d’absorption optique de mesure de densité des états métastables et résonnants à l’aide d’une lampe spectrale, ce qui n’avait été réalisé jusqu’ici que pour des pressions inférieures à 10 Torr. Ces états jouent un rôle essentiel dans l’ionisation des décharges contractées alors que dans les décharges décontractées leur désexcitation par les atomes du gaz adjuvant est l’étape fondamentale du processus de changement de cinétique menant à la décontraction.

Quantum decay of metastable states in small magnetic particles

We present an imaginary-time path-integral study of the problem of quantum decay of a metastable state of a uniaxial magnetic particle placed in the magnetic field at an arbitrary angle. Our findings agree with earlier results of Zaslavskii obtained by mapping the spin Hamiltonian onto a particle Hamiltonian. In the limit of low barrier, weak dependence of the decay rate on the angle is found, except for the field which is almost normal to the anisotropy axis, where the rate is sharply peaked, and for the field approaching the parallel orientation, where the rate rapidly goes to zero. This distinct angular dependence, together with the dependence of the rate on the field strength, provides an independent test for macroscopic spin tunneling.

Étude de l'influence de la réassociation en surface des atomes N et O sur l'inactivation des spores bactériennes dans une post-décharge N2-O2 basse pression en flux

Le recours au plasma pour stériliser des dispositifs médicaux (DM) est un domaine de recherche ne datant véritablement que de la fin des années 1990. Les plasmas permettent, dans les conditions adéquates, de réaliser la stérilisation à basse température (≤ 65°C), tel qu’exigé par la présence de polymères dans les DM et ce contrairement aux procédés par chaleur, et aussi de façon non toxique, contrairement aux procédés chimiques comme, par exemple, l’oxyde d’éthylène (OEt). Les laboratoires du Groupe de physique des plasmas à l’Université de Montréal travaillent à l’élaboration d’un stérilisateur consistant plus particulièrement à employer les effluents d’une décharge N2-%O2 basse pression (2-8 Torrs) en flux, formant ce que l’on appelle une post-décharge en flux. Ce sont les atomes N et O de cette décharge qui viendront, dans les conditions appropriées, entrer en collisions dans la chambre de stérilisation pour y créer des molécules excitées NO*, engendrant ainsi l’émission d’une quantité appréciable de photons UV. Ceux-ci constituent, dans le cas présent, l’agent biocide qui va s’attaquer directement au bagage génétique du micro-organisme (bactéries, virus) que l’on souhaite inactiver. L’utilisation d’une lointaine post-décharge évite du même coup la présence des agents érosifs de la décharge, comme les ions et les métastables. L’un des problèmes de cette méthode de stérilisation est la réduction du nombre de molécules NO* créées par suite de la perte des atomes N et O, qui sont des radicaux connus pour interagir avec les surfaces, sur les parois des matériaux des DM que l’on souhaite stériliser. L’objectif principal de notre travail est de déterminer l’influence d’une telle perte en surface, dite aussi réassociation en surface, par l’introduction de matériaux comme le Téflon, l’acier inoxydable, l’aluminium et le cuivre sur le taux d’inactivation des spores bactériennes. Nous nous attendons à ce que la réassociation en surface de ces atomes occasionne ainsi une diminution de l’intensité UV et subséquemment, une réduction du taux d’inactivation. Par spectroscopie optique d’émission (SOE), nous avons déterminé les concentrations perdues de N et de O par la présence des matériaux dans le stérilisateur, ainsi que la diminution de l’émission UV en découlant. Nous avons observé que cette diminution des concentrations atomiques est d’autant plus importante que les surfaces sont catalytiques. Au cours de l’étude du phénomène de pertes sur les parois pour un mélange N2-%O2 nous avons constaté l’existence d’une compétition en surface entre les atomes N et O, dans laquelle les atomes d’oxygènes semblent dominer largement. Cela implique qu’au-delà d’un certain %O2 ajouté à la décharge N2, seuls les atomes O se réassocient en surface. Par ailleurs, l’analyse des courbes de survie bi-phasiques des micro-organismes a permis d’établir une étroite corrélation, par lien de cause à effet, entre la consommation des atomes N et O en surface et la diminution du taux d’inactivation des spores dans la première phase. En revanche, nous avons constaté que notre principal agent biocide (le rayonnement ultraviolet) est moins efficace dans la deuxième phase et, par conséquent, il n’a pas été possible d’établir un lien entre la diminution des concentrations et le taux d’inactivation de cette phase-là.

Etude spectroscopique d’un plasma micro-onde à la pression atmosphérique et son application à la synthèse de nanostructures

L’objectif de ce mémoire de maîtrise est de caractériser la distribution axiale des plasmas tubulaires à la pression atmosphérique créés et entretenus par une onde électromagnétique de surface ainsi que d’explorer le potentiel de ces sources pour la synthèse de matériaux et de nanomatériaux. Un précédent travail de thèse, qui avait pour objectif de déterminer les mécanismes à l’origine de la contraction radiale du plasma créé dans des gaz rares, a mis en lumière un phénomène jusque-là inconnu dans les plasmas d’onde de surface (POS). En effet, la distribution axiale varie différemment selon la puissance incidente ce qui constitue une différence majeure par rapport aux plasmas à pression réduite. Dans ce contexte, nous avons réalisé une étude paramétrique des POS à la pression atmosphérique dans l’Ar. À partir de nos mesures de densité électronique, de température d’excitation et de densité d’atomes d’Ar dans un niveau métastable (Ar 3P2), résolues axialement, nous avons conclu que le comportement axial de l’intensité lumineuse avec la puissance n’est pas lié à un changement de la cinétique de la décharge (qui est dépendante de la température des électrons et de la densité d’atomes d’Ar métastables), mais plutôt à une distribution anormale de dissipation de puissance dans le plasma (reliée à la densité d’électrons). Plus précisément, nos résultats suggèrent que ce dépôt anormal de puissance provient d’une réflexion de l’onde dans le fort gradient de densité de charges en fin de colonne, un effet plus marqué pour de faibles longueurs de colonnes à plasma. Ensuite, nous avons effectué une étude spectroscopique du plasma en présence de précurseurs organiques, en particulier le HMDSO pour la synthèse de matériaux organosiliciés et l’IPT pour la synthèse de matériaux organotitaniques. Les POS à la PA sont caractérisés par des densités de charges très élevées (>10^13 cm^-3), permettant ainsi d’atteindre des degrés de dissociation des précurseurs nettement plus élevés que ceux d'autres plasmas froids à la pression atmosphérique comme les décharges à barrière diélectrique. Dans de tels cas, les matériaux synthétisés prennent la forme de nanopoudres organiques de taille inférieure à 100 nm. En présence de faibles quantités d’oxygène dans le plasma, nous obtenons plutôt des nanopoudres à base d’oxyde de silicium (HMDSO) ou à base de titanate de silicium (IPT), avec très peu de carbone.

Metastable States and Irregular Behaviour in a Josephson Junction with Nonlinear Resistance

We consider a resistively shunted Josephson junction with a resistance that depends inversely on voltage. It is shown that such a junction in the underdamped case can give rise to extremely long-lived metastable states even in the absence of external noise. We investigate numerically this metastable state and its transition to a chaotic state. The junction voltages corresponding to these states are studied.

Quantum decay of metastable states in small magnetic particles

We present an imaginary-time path-integral study of the problem of quantum decay of a metastable state of a uniaxial magnetic particle placed in the magnetic field at an arbitrary angle. Our findings agree with earlier results of Zaslavskii obtained by mapping the spin Hamiltonian onto a particle Hamiltonian. In the limit of low barrier, weak dependence of the decay rate on the angle is found, except for the field which is almost normal to the anisotropy axis, where the rate is sharply peaked, and for the field approaching the parallel orientation, where the rate rapidly goes to zero. This distinct angular dependence, together with the dependence of the rate on the field strength, provides an independent test for macroscopic spin tunneling.

SUBSTITUTIONAL DONOR RELATED STATES AND AU/GE/NI CONTACTS TO ALXGA1-XAS

Current-voltage measurements performed on bulk AlxGa1-xAs equipped with Au/Ge/Ni contacts reveal surprising deviations from ohmic behaviour when the temperature is lowered to that of liquid nitrogen. Significant differences are observed between samples with x = 0.3 (direct band-gap material) and x = 0.5 (indirect band-gap material). The dominant states of the donor atoms Si (doping) or Ge are found to be responsible for such behaviour. Evidence for the existence of an effective-mass X-valley metastable state is also presented.

Influenza hemagglutinin is spring-loaded by a metastable native conformation

Enveloped viruses enter cells by protein-mediated membrane fusion. For influenza virus, membrane fusion is regulated by the conformational state of the hemagglutinin (HA) protein, which switches from a native (nonfusogenic) structure to a fusion-active (fusogenic) conformation when exposed to the acidic environment of the cellular endosome. Here we demonstrate that destabilization of HA at neutral pH, with either heat or the denaturant urea, triggers a conformational change that is biochemically indistinguishable from the change triggered by low pH. In each case, the conformational change is coincident with induction of membrane-fusion activity, providing strong evidence that the fusogenic structure is formed. These results indicate that the native structure of HA is trapped in a metastable state and that the fusogenic conformation is released by destabilization of native structure. This strategy may be shared by other enveloped viruses, including those that enter the cell at neutral pH, and could have implications for understanding the membrane-fusion step of HIV infection.

Degenerate Gases of Strontium for Studies of Quantum Magnetism

We describe the construction and characterization of a new apparatus that can produce degenerate quantum gases of strontium. The realization of degenerate gases is an important first step toward future studies of quantum magnetism. Three of the four stable isotopes of strontium have been cooled into the degenerate regime. The experiment can make nearly pure Bose-Einstein condensates containing approximately 1x10^4 atoms, for strontium-86, and approximately 4x10^5 atoms, for strontium-84. We have also created degenerate Fermi gases of strontium-87 with a reduced temperature, T/T_F of approximately 0.2. The apparatus will be able to produce Bose-Einstein condensates of strontium-88 with straightforward modifications. We also report the first experimental and theoretical results from the strontium project. We have developed a technique to accelerate the continuous loading of strontium atoms into a magnetic trap. By applying a laser addressing the 3P1 to 3S1 transition in our magneto-optical trap, the rate at which atoms populate the magnetically-trapped 3P2 state can be increased by up to 65%. Quantum degenerate gases of atoms in the metastable 3P0 and 3P2 states are a promising platform for quantum simulation of systems with long-range interactions. We have performed an initial numerical study of a method to transfer the ground state degenerate gases that we can currently produce into one of the metastable states via a three-photon transition. Numerical simulations of the Optical Bloch equations governing the three-photon transition indicate that >90% of a ground state degenerate gas can be transferred into a metastable state.

Laser cooling and trapping of argon metastable atomic beam

The high velocity of free atoms associated with the thermal motion, together with the velocity distribution of atoms has imposed the ultimate limitation on the precision of ultrahigh resolution spectroscopy. A sample consisting of low velocity atoms would provide a substantial improvement in spectroscopy resolution. To overcome the problem of thermal motion, atomic physicists have pursued two goals; first, the reduction of the thermal motion (cooling); and second, the confinement of the atoms by means of electromagnetic fields (trapping). Cooling carried sufficiently far, eliminates the motional problems, whereas trapping allows for long observation times. In this work the laser cooling and trapping of an argon atomic beam will be discussed. The experiments involve a time-of-flight spectroscopy on metastable argon atoms. Laser deceleration or cooling of atoms is achieved by counter propagating a photon against an atomic beam of metastable atoms. The solution to the Doppler shift problem is achieved using spatially varying magnetic field along the beam path to Zeeman shift the atomic resonance frequency so as to keep the atoms in resonance with a fixed frequency cooling laser. For trapping experiments a Magnetooptical trap (MOT) will be used. The MOT is formed by three pairs of counter-propagating laser beams with mutual opposite circular polarization and a frequency tuned slightly below the center of the atomic resonance and superimposed on a magnetic quadrupole field.