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O objetivo deste trabalho foi implementar a técnica de dupla ressonância denominada Desacoplamento Heteronuclear em Banda Larga. Tal técnica consiste em eliminar a interação dipolar magnética nuclear existente entre núcleos atômicos raros que desejamos observar (13C, por exemplo) e núcleos atômicos abundantes que existem em sua vizinhança (1H, por exemplo). Para implementar algumas das técnicas de Desacoplamento Heteronuclear em Banda Larga (DBL), foi desenvolvido o instrumental eletrônico necessário, que consistiu em projeto e construção de moduladores de pulsos de radiofreqüência com controle de fase, em programação de seqüências especiais de pulsos para DBL e em sistemas de controle digital. As técnicas de DBL implementadas foram: \"Noise Modulation\", \"Squarewave modulation\", \"MLEV-64\" e \"WALTZ-16\". Avaliamos o desempenho destas técnicas através de resultados experimentais obtidos utilizando o composto ADAMANTANO (Cl10H16). Todos os equipamentos desenvolvidos foram incorporados ao espectrômetro de alta resolução por ressonância magnética nuclear existente no Laboratório de Espectroscopia de Alta Resolução (LEAR), do Departamento de Física e Informática, Instituto de Física de São Carlos, USP, e estão sendo utilizados rotineiramente nos experimentos de espectroscopia de alta resolução / The goal of this work was to improve the double resonance technique called Broadband Heteronuclear Decoupling. This technique consists on eliminate the dipolar heteronuclear interaction that exists between rare nucleous (13C, for example) and abundant nucleous that exists around (1H, for example). To improve some techniques of Broadband Heteronuclear Decoupling (BBDec), an electronic apparatus was made, which consisted of design and implementation of radiofrequency pulse modulators with phase control, special BBDec pulse sequences programming and digital control systems. The implemented Broadband Heteronuclear Decoupling techniques were: Noise Modulation, Square-wave Modulation, MLEV-64 sequence and WALTZ-16 sequence. We evaluated the performance of these techniques utilizing the experimental results obtained with the sample ADAMANTANO (Cl10H16). All developed apparatus was incorporated with the high resolution NMR spectrometer that exists at the High Resolution Spectroscopy Laboratory (LEAR), of the Instituto de Física de Sao Carlos, USP, and are being used at all high resolution NMR experiments

O objetivo deste trabalho foi implementar a técnica de dupla ressonância denominada Desacoplamento Heteronuclear em Banda Larga. Tal técnica consiste em eliminar a interação dipolar magnética nuclear existente entre núcleos atômicos raros que desejamos observar (13C, por exemplo) e núcleos atômicos abundantes que existem em sua vizinhança (1H, por exemplo). Para implementar algumas das técnicas de Desacoplamento Heteronuclear em Banda Larga (DBL), foi desenvolvido o instrumental eletrônico necessário, que consistiu em projeto e construção de moduladores de pulsos de radiofreqüência com controle de fase, em programação de seqüências especiais de pulsos para DBL e em sistemas de controle digital. As técnicas de DBL implementadas foram: \"Noise Modulation\", \"Squarewave modulation\", \"MLEV-64\" e \"WALTZ-16\". Avaliamos o desempenho destas técnicas através de resultados experimentais obtidos utilizando o composto ADAMANTANO (Cl10H16). Todos os equipamentos desenvolvidos foram incorporados ao espectrômetro de alta resolução por ressonância magnética nuclear existente no Laboratório de Espectroscopia de Alta Resolução (LEAR), do Departamento de Física e Informática, Instituto de Física de São Carlos, USP, e estão sendo utilizados rotineiramente nos experimentos de espectroscopia de alta resolução / The goal of this work was to improve the double resonance technique called Broadband Heteronuclear Decoupling. This technique consists on eliminate the dipolar heteronuclear interaction that exists between rare nucleous (13C, for example) and abundant nucleous that exists around (1H, for example). To improve some techniques of Broadband Heteronuclear Decoupling (BBDec), an electronic apparatus was made, which consisted of design and implementation of radiofrequency pulse modulators with phase control, special BBDec pulse sequences programming and digital control systems. The implemented Broadband Heteronuclear Decoupling techniques were: Noise Modulation, Square-wave Modulation, MLEV-64 sequence and WALTZ-16 sequence. We evaluated the performance of these techniques utilizing the experimental results obtained with the sample ADAMANTANO (Cl10H16). All developed apparatus was incorporated with the high resolution NMR spectrometer that exists at the High Resolution Spectroscopy Laboratory (LEAR), of the Instituto de Física de Sao Carlos, USP, and are being used at all high resolution NMR experiments

Au cours de ce travail, une série de plateformes constituées d'un espaceur central connecté à deux complexes de MnII à haut spin a été synthétisée. De nombreux ligands ont été étudiés et greffés sur un ensemble d'espaceurs de longueur variant entre 1,5 et 5,5 nm. La distance Mn-Mn a été mesurée avec succès par résonance paramagnétique électronique (RPE) impulsionnelle à haut champ en utilisant la méthode PELDOR (Pulsed Electron-Electron Double Resonance). L'emploi de complexes de MnII avec de faibles valeurs d'éclatement en champ nul (ECN) a permis d'améliorer la sensibilité de cette méthode. Pour les plateformes constituées d'un espaceur polyproline, un bon accord a été observé entre la distribution de la distance Mn-Mn obtenue par PELDOR et par dynamique moléculaire, mais des composantes plus courtes dans la distribution ont été détectées pour certains paramètres expérimentaux. Ces observations ont été rationalisées en tenant compte du terme pseudo-séculaire de l'Hamiltonien dipolaire, non négligeable pour les systèmes étudiés où les spins observés et détectés sont similaires. Lorsqu'un espaceur rigide est employé, l'interaction pseudo-séculaire est bien plus marquée, ce qui se traduit par une distribution de distances plus large que prévu par la dynamique moléculaire. L'étude de nouveaux centres paramagnétiques pour la méthode PELDOR comme les radicaux trityl persistants a également été entreprise. Le tenseur g de ces radicaux a été déterminé avec précision par RPE à haut champ en utilisant MnII comme référence. Des calculs de DFT (Density Functional Theory) ont été effectués pour comprendre la relation entre la structure et le spectre RPE de ces radicaux trityl. / In this work, the synthesis of a set of platforms that incorporate a central linker of varying length connected to two high-spin MnII complexes has been performed. Several ligands were screened and efficient synthetic methodologies were developed to graft them on various spacers covering the 1.5 – 5.5 nm range. The Mn-Mn distance has been successfully measured using high-field pulsed electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy, more precisely pulsed electron-electron double resonance (PELDOR). We showed that the use of MnII complexes with low zero-field splitting (ZFS) parameters led to an improved sensitivity. For flexible polyproline-based platforms, distances and distribution profiles obtained with PELDOR were in good agreement with molecular dynamics (MD) estimations, but additional features in the distance distributions could be observed under specific conditions. These finding were rationalized by taking into account the pseudo-secular term of the dipolar Hamiltonian, which was found to be non-negligible for the studied platforms, where pumped and detected spins are very similar. When the linker was rigid, the influence of the pseudo-secular interaction was much more prominent, leading to distance profiles with a higher width than predicted by MD calculations. Other emergent spin labels for pulsed EPR-based distance measurements such as persistent substituted trityl radicals were studied and their g-tensor was accurately measured using high-field EPR with MnII as an internal reference. Density functional theory (DFT) calculations were performed to understand the relationship between the structure and the EPR properties of the studied trityl radicals.

Cette thèse étudie les régions d'irrégularité marquée dans les spectres électroniques des dimères alcalins. Ces perturbations, qui rendent difficile voire impossible l’attribution habituelle et sans ambiguïté des nombres quantiques moléculaires, sont produites par de forts couplages spin-orbite. Des méthodes numériques nous permettent de résoudre l'équation de Schrödinger radiale pour de tels systèmes. Nous avons élaboré des stratégies permettant d’utiliser des formes analytiques pour les courbes d’énergie potentielle moléculaire et pour les fonctions de couplage spin-orbite. Nous prenons en compte les perturbations d’origine spin-orbite, et les effets de couplage spin-rotation dans des calculs d’états couplés, en utilisant des techniques numériques de différences finies et les méthodes de collocation, avec hamiltoniens moléculaires appropriés. La méthode a été testée avec succès sur des données publiées sur NaK, et également sur des données expérimentales obtenues pour des paires d’états électroniques excités fortement couplés (A 1Σ+(u) et b 3Π(u) pour Rb2 et pour NaCs), suite à des expériences de fluorescence induite par laser analysée par spectrométrie de Fourier. En optimisant les paramètres des potentiels moléculaires et des fonctions spin-orbite par le biais d’ajustements itératifs par moindres carrés non-linéaires, les modèles permettent d'atteindre la précision expérimentale (limite Doppler) actuelle. Les résultats sont controlés par étude des effets de substitution isotopique et des intensités observées. Un schéma pour refroidissement optique de NaCs a été proposé à partir des probabilités de transition calculées. / This thesis investigates regions of marked irregularity in the electronic spectra of alkali dimers. These perturbations, which make it difficult (if not impossible) to give the usual unambiguous assignment of molecular quantum numbers, are caused by strong spin-orbit coupling between close-lying electronic states. Numerical methods allow us to solve the radial Schrödinger equation for such systems. We have developed strategies to use analytical forms for molecular energy potentials and spin-orbit coupling functions in order to represent such situations, using Hund’s case (a) basis sets. Calculations are then performed using finite difference and collocation methods, with appropriate coupled-channel molecular Hamiltonians that take into account spin-orbit and spin-rotation interactions. Our analytical mapping procedure, based on a reduced variable representation of the radial coordinate, improves the computational efficiency for uniform finite-difference grid solutions of the coupled channel equations. The method has been successfully tested on published data for NaK (D 1Πd 3Πstates), and also on experimental data obtained by laser induced fluorescence and Fourier transform spectrometry for pairs of strongly coupled excited electronic states of heavier alkali species, Rb2 and NaCs (A 1Σ+(u) and b 3Π(u) states). Optimising the parameters of molecular potentials and spin-orbit functions through iterative non-linear least squares fits, the models achieve the current (Doppler limited) experimental level of precision. The validity of the results is confirmed by investigating the effects of isotopic substitution and intensity patterns. Results have been used to predict transition probabilities for a two-step optical cooling cycle for the NaCs molecule. / Данная диссертационная работа посвящена изучению возмущений в электронно-колебательно-вращательных спектрах димеров щелочных металлов. Нерегулярности вколебательно-вращательной структуре, вызванные сильным спин-орбитальнымвзаимодействием близко лежащих электронных состояний осложняют, а иногда и делаютневозможным, однозначное отнесение линий в молекулярных спектрах. В данной работе, врамках метода связанных колебательных каналов, разработана модель неадиабатическогоописания энергетических и радиационных свойств синглет-триплетных комплексоввозмущенных состояний, подчиняющихся промежуточным a-b-c случаям связи по Гунду взависимости от величины вращательного квантового числа и межъядерного расстояния.Ключевыми параметрами этой модели являются потенциальные кривые рассматриваемыхсостояний и функции спин-орбитального взаимодействия. Аналитическая замена радиальнойкоординаты в сочетании с аналитическим представлением варьируемых функций позволилиповысить эффективность решения системы уравнений Шредингера для рассматриваемыхсистем, а также улучшить экстраполяционные свойства неэмпирических функцийпотенциальной энергии. Предложенный подход использован для анализа (представленных влитературе) ровибронных энергий молекулы NaK (D1Π , d3Π состояния), а такжеоригинальных экспериментальных данных, полученных в данной работе методом лазерно-индуцированной флуоресценции для сильно возмущенных электронных состояний Rb2 иNaCs ( A1Σ(u)+ и b3Π(u) состояния). Проверка адекватности полученных структурныхпараметров выполнена путем предсказания и сопоставления с экспериментом (1)энергетических свойств для различных изотопомеров; (2) распределения относительныхинтенсивностей в спектрах лазерно-индуцированной флуоресценции с локальновозмущенных уровней комплексов в основное электронное состояние. Результаты,полученные для молекул NaCs, были использованы для расчета оптимальных путейдвухступенчатой оптической конверсии неустойчивых электронно-возбужденных молекул,образующихся в результате столкновений холодных атомов, на низший по энергиировибронный уровень основного электронного состояния.

Cette thèse constitue un ensemble de travaux et de réflexions sur la question de la modélisation d’expériences en nano-optique utilisant la méthode des différences finies dans le domaine fréquentiel (FDFD) et la méthode des différences finies dans le domaine temporel (FDTD). D’abord, un code FDFD bidimensionnel, dédié au calcul de modes propres de guides d’ondes optiques, a été mis en œuvre et testé à travers une comparaison avec des résultats publiés. Dans une deuxième grande partie, nous étudions le piégeage optique de petites particules (de taille microscopique) à l’aide d’une antenne à nano-ouverture papillon (BNA) gravée à l’extrémité d’une sonde de microscope optique métallisée. Le confinement de lumière obtenue à la résonance de la nano-antenne permet un piégeage 3-D des nanoparticules de latex. Une étude systématique a été menée pour quantifier la puissance de la lumière incidente nécessaire pour un piégeage stable. Un bon accord entre les résultats expérimentaux et numériques a été obtenu dans le cas d’une BNA opérant dans l’eau à _ = 1064 nm pour le piégeage de particules de latex de 250 nm de rayon. En outre, les résultats numériques pour de plus petites particules sont présentés et montrent qu’une telle configuration est capable de piéger des particules avec des rayons aussi petits que 30 nm. Troisièmement, nous avons étudié le processus de piégeage optique basé sur l’amélioration du confinement, non seulement du champ électrique comme dans le cas de la BNA, mais aussi du magnétique que peut exhiber l’antenne métallique type diabolo (DA). Cette dernière a été récemment proposée car elle présente une résonance avec un fort confinement magnétique. Nous avons amélioré le design afin qu’une double résonance, électrique et magnétique, ait lieu au centre de la nano-antenne. Ce double confinement a ensuite été exploité pour exalter le gradient de champ au voisinage de l’antenne et ainsi aboutir à de meilleures efficacités de piégeage (moindre puissance). De plus, les résultats des simulations montrent que le processus de piégeage dépend fortement des dimensions des particules et que, pour des géométries particulières, un piégeage sans contact peut être réalisé. Cette structure doublement résonnante ouvre la voie à la conception d’une nouvelle génération de nano-pinces optiques à forte efficacit / This thesis is a set of work and reflections on modeling the experiments in nano-optics by using the finite difference method in the frequency domain (FDFD), and in time domain (FDTD). First, a two-dimensional code FDFD, dedicated to the calculation the eigenmodes of optical waveguides, has been implemented and tested through a comparison with results found in the literature. In a second large part, we study the optical trapping of small particles (of microscopic size) by using a bowtie nanoaperture antenna (BNA) engraved at the end of a metal-coated near-field optical microscope tip. The confinement of light obtained at the resonance of the nano-antenna allows 3-D trapping of latex nanoparticles. A systematic study was conducted to quantify the power of incident light necessary for stable trapping. Good agreement between the experimental and numerical results was obtained in the case of a BNA operating in water at _ = 1064 nm for the trapping of latex particles having a radius of 250 nm-radius. In addition, numerical results for smaller particles are presented and show that such configuration is capable of trapping particles with radii reaching 30 nm. Third, we studied the optical trapping process based on improved confinement of the electric field as in the case of the BNA, but also of the magnetic field, by using a metallic diabolo shape antenna (DA). This latter has been recently proposed because it exhibits resonance with a strong magnetic field confinement. We have improved the design in such a way that a double resonance, electric and magnetic, takes place in the center of the nano-antenna. This dual confinement was then used in order to enhance the field gradient in its vicinity and thus obtain better efficiencies of the trapping (less power). In addition, the simulation results show that the trapping process is greatly dependent of the particles size, and also show that, for specificl geometries, a trapping without contact can be achieved. This doubly resonant structure opens the way to the conception of a new generation of optical nano-tweezers with high efficiency.