Le sujet de cette thèse se place dans le cadre de la spectroscopie théorique. En particulier, je propose une nouvelle dérivation ab-initio pour trouver des approximations pour la fonction de Green (GF) à un corps. Cette approche conduit à une meilleure description du couplage fermion-plasmon dans le cadre de la théorie des perturbations à plusieurs corps (MBPT), qui peut être utilisée pour étudier la spectroscopie de photoémission directe et inverse.En spectroscopie de photoémission, un échantillon est irradié par des photons et des électrons sont émis. A partir de la différence d'énergie du photon incident et des d'électrons sortant, un grand nombre d'informations sur les propriétés de l'échantillon peut être obtenu, par exemple les structures de bandes ou la durée de vie des excitations. Dans une cadre de particules indépendantes, cette différence d'énergie correspond au niveau d'énergie d'une particule que l'électron émis occupait avant la mesure. Cela conduit à un pic très intense dans le spectre, avec un poids normalisé à un. En réalité, la photoémission n'est pas juste des photons entrants et des électrons indépendants sortants, car l'échantillon est un système à plusieurs corps en interaction. L'interaction de Coulomb et la nature anti-symétrique des fermions donnent lieu aux effets d'échange-corrélation, ce qui rend le problème fondamentalement difficile à résoudre. La description, la compréhension et la prédiction des effets de l'interaction de Coulomb sur les propriétés des matériaux a été, pendant des années, l'un des grands défis de la physique théorique de la matière condensée. Dans le cadre de cette thèse, on peut imaginer que, premièrement, la photoémission crée un trou (à savoir, un électron manquant) dans l'échantillon, ce qui provoque la relaxation de tous les électrons restants. En raison de l'interaction attractive entre les trous chargés positivement et les électrons chargés négativement, les électrons se déplacent vers les trous et créent des ''quasi-particules''. L'interaction effective entre les quasi-particules est l'interaction de Coulomb écrantée dynamiquement. Elle est en général plus faible que l'interaction de Coulomb nue. Par conséquent, la structure de bandes observée est celle de quasi-particules, qui diffère du résultat en particules indépendantes. Deuxièmement, lorsque le trou se propage dans l'échantillon les électrons restants peuvent présenter des oscillations collectives : réponse de la densité à la perturbation. Ce sont des excitations neutres avec une nature approximativement bosonique, parce qu'elles sont constituées par des paires de fermions.Le couplage du trou avec les excitations neutres conduit à des structures supplémentaires dans le spectre de photoémission, appelées satellites. Cela réduit le poids des quasi-particules qui est maintenant fractionnée. Le plus souvent, les satellites dominants sont dus à des plasmons, des oscillations collectives à longue portée, mais on peut aussi observer des transitions ou excitons interbandes ou d'autres satellites qui sont dus à des couplages plus complexes.Cela montre que pour avoir une bonne description de la spectroscopie de photoémission, nous devrions étudier la propagation de particules, ainsi que l'interaction entre les particules et les plasmons ou d'autres excitations. La fonction de Green donne l'amplitude de probabilité de particules se propageant d'un point à un autre. Sa partie imaginaire donne la funtion spectrale qui a un lien direct vers le spectre mesuré dans une expérience de photoémission. Les dérivations et approximations proposées dans cette thèse donnent une nouvelle façon de calculer la fonction de Green, ce qui améliore la description de la spectroscopie de photoémission. En outre, cela permet d'accéder à d'autres grandeurs qui peuvent être obtenues à partir de la fonction de Green à un corps, en particulier les énergies totales. / The topic of this thesis is situated in the framework of theoretical spectroscopy. In particular, I propose a new ab-initio derivation to find approximations for the one-body Green's function (GF) . This approach leads to an improved description of fermion-plasmon coupling in the framework of many-body perturbation theory (MBPT), which can be used to study direct and inverse photoemission spectroscopy. Although the observed phenomena have been well known before, my formulation yields a better description than previous state-of-the-art approaches. It answers several open questions, cures some fundamental shortcomings and suggests a way for systematic improvement.In photoemission spectroscopy, a sample is irradiated by photons and electrons are emitted. From the energy difference of the incoming photon and outgoing electron, a great deal of information on the properties of the sample can be obtained, e.g. the band structures or lifetimes of excitations. In an independent-particle picture, this energy difference corresponds to the one-particle energy level that the emitted electron was occupying before the measurement. This leads to a sharp peak in the spectrum, with weight normalized to one. In reality, photoemission is not just photons in and independent electrons out, because the sample is an interacting many-body system. The Coulomb interaction and the anti-symmetric nature of fermions give rise to the so-called exchange-correlation effects, which makes the problem fundamentally difficult to solve. The description, understanding and prediction of the effects of the Coulomb interaction on the properties of materials has been one of the big challenges of theoretical condensed matter physics for ages. In the framework of this thesis one can imagine that first, the photoemission creates a hole (i.e., a missing electron) in the sample, which causes all remaining electrons to relax. Due to the attractive interaction between positively charged holes and negatively charged electrons, the electrons move towards to the holes and dress them to create ''quasi-particles''. The effective interaction between quasi-particles is the dynamically screened Coulomb interaction. It is in general weaker than the bare Coulomb interaction. Consequently, the observed band structure is a quasi-particle band structure, which differs from the result of an independent-particles band structure calculation. Second, when the hole propagates in the sample the remaining electrons can show collective oscillations, the density response to the perturbation. These are neutral excitations with approximately bosonic nature, because they are constituted by pairs of fermions.The coupling of the hole to the neutral excitations leads to additional structures in the photoemission spectrum, called satellites. This reduces the quasi-particle weight that is now fractional. Most often, the dominant satellites are due to plasmons, collective long-range oscillations, but one can also observe interband transitions or excitons, or other satellites that are due to more complicated couplings.This overview shows that in order to have a good description of photoemission spectroscopy, we should study the propagation of particles, as well as the interaction between particles and plasmons or other excitations. The Green's function gives the probability amplitude of particles propagating from one point to another. Its imaginary part yields the spectral function that has a direct link to the spectrum measured in a photoemission experiment. The derivations and approximations proposed in this thesis give a new way to calculate the Green's function, which improves the description of photoemission spectroscopy. Moreover, it gives access to other quantities that can be obtained from the one-body Green's function, in particular total energies.

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The trend in passenger vehicle internal combustion (IC) engines is to produce smaller, more fuel-efficient engines with power outputs comparable to those of large displacement engines. One way to accomplish this goal is through using turbochargers (TCs) supported on semi-floating ring bearings (SFRBs). The thesis presents progress on the nonlinear modeling of rotor-bearing systems (RBSs) by including engine-induced TC housing excitations. Test data collected from an engine-mounted TC unit operating to a top speed of 160 krpm (engine speed = 3,600 rpm) validates the nonlinear predictions of shaft motion. Engine-induced housing excitations are input into the nonlinear time transient rotor model as Fourier coefficients (and corresponding phase angles) derived from measured TC center housing accelerations. Analysis of recorded housing accelerations shows the IC engine induces TC motions with a broad range of subsynchronous frequencies, rich in engine (e) superharmonics. In particular, 2e and 4e vibration frequencies contribute greatly to housing motion. Most importantly, the analysis reveals TC center and compressor housings do not vibrate as a rigid body. Eigenvalue analysis of the TC system evidences four damped natural frequencies within the TC operating speed range. However, only the highest damped natural frequency (first elastic mode, f = 2,025 Hz, ξ = 0.14) is lightly-damped (critical speed = 150 krpm). Predicted linear and nonlinear imbalance response amplitudes increase with TC shaft speed, with linear predictions agreeing with test data at high shaft speeds. The differences between predictions and test data are attributed to an inaccurate knowledge of the actual TC rotor imbalance distribution. For the nonlinear analysis, predicted shaft motions not accounting for housing accelerations show the TC is stable (i.e. no subsynchronous whirl) at all but the lowest shaft speeds (<70 krpm). However, predicted shaft motions accounting for housing accelerations, as well as the test data, reveal TC motions rich in subsynchronous activity. Clearly, engine-induced housing accelerations have a significant impact on TC shaft motions. Predicted total shaft motions show good agreement with test data. Predicted nonlinear subsynchronous amplitudes as well as peak shaft amplitudes also agree well with test data. However, nonlinear predictions only show TC shaft vibrations attributed to engine order frequencies below 6e, whereas test data evidences TC vibrations are due to order frequencies greater than 6e. Overall, nonlinear predictions and test data illustrate the importance of accounting for engine-induced housing vibrations in the design and operation of TC systems. The good agreement between predictions and test data serve to validate the rotor model. The tools developed will aid a TC manufacturer in reducing development time and expenditures.

Break up processes involving a three body system in the Coulomb field are studied. A method is developed for the realistic treatment of such a system, and is applied to the break up of the nucleus, ⁷Li. The Simple Cluster Model of ⁷Li and the Coulomb excitation code COULVAR are used for the calculations. The continuum states of the α + t system are treated as a set of discrete states, by confining the relative motion of the clusters to a spherical box. The infinite set of states is then truncated by imposing an energy cutoff so that only the states below this energy are considered. The density of these states varies according to the box radius and the energy cutoff. The stability of the model is tested by varying these two parameters. The corresponding calculated probability of excitation of ⁷Li has converged for a box radius of 20 fm and an energy cutoff of 20 MeV. The level energies and the wavefunctions of the continuum states are then easily obtained and are used to calculate the important matrix elements for the electromagnetic transitions between the bound states and the continuum states of ⁷Li. The method is used to calculate the probability of excitation of ⁷Li to its first excited state in the inelastic scattering experiments. It successfully reproduces a range of available data. An approximation is then developed to calculate the nuclear-Coulomb interference at low energies (well below the Coulomb barrier). The results of its application supports the need for renormalisation of the nuclear potentials suggested by inverse scattering calculations. The method closely reproduces The ⁷Li data in this region with the refitted nuclear potentials. The application of the three body model to the break up of ⁷Li on heavy targets at high energies produces very interesting results. It predicts reasonably good cross sections in the regions of pure Coulomb interaction. It also shows that at high energies the nuclear forces become very strong and affect the classical Rutherford orbit of the projectile. These effects are enhanced for heavier targets and the observed small scattering angle should not be taken as the angle of a classical orbit. Finally improvements towards the generalisation of the method are suggested so that it will be capable of coping with any three body system in a strong Coulomb field.

Depuis sa découverte, les propriétés électroniques exceptionnelles du graphène ont fait l'objet d'un nombre impressionnant d'études, faisant émerger un nouveau domaine de recherche autour des cristaux bidimensionnels. La spectroscopie Raman permet d'accéder de façon rapide, non destructive et sélective en symétrie, à la dynamique des électrons et à leur couplage avec les autres degrés de liberté d'un matériau. Jusqu'au présent, cependant, cette technique a été réservée presque exclusivement à la caractérisation des propriétés vibrationnelles du graphène, qui ne sondent qu'indirectement ses propriétés électroniques. Dans ce travail je mets en évidence le signal Raman électronique de mono- et multi-couches de graphène en le modulant avec une tension de grille. Pour cela j'ai combiné des techniques avancées de fabrication de dispositifs avec un microscope Raman spécialement conçu pour cet objectif. Grâce à l'effet du champ électrique, le continuum Raman électronique du graphène dû aux transitions inter-bande à travers le cône de Dirac, a été identifié et son intensité quantifiée pour la première fois. Les spectres, avec la présence d'un blocage de Pauli des excitations électroniques, sont en excellent accord avec les prévisions théoriques. Les mesures résolues en polarisation ont mis en évidence une propriété originale de la spectroscopie Raman: le fait d'être une sonde privilégiée des excitations électroniques chirales. Cette propriété, attribuée à un phénomène d'interférences quantiques entre les amplitudes de diffusion, ouvre des prospectives très intéressantes dans l'étude d'autres cristaux bidimensionnels et des phases topologiques / Since its discovery, the exceptional electronic properties of graphene have been studied in an impressive number of academic works, giving birth to a new research field dealing with two-dimensional crystals. Raman spectroscopy is a quick, non-destructive and symmetry-selective way to probe the dynamics of electrons and to their coupling with the other degrees of freedom of a material. Until now, nonetheless, this technique had been almost exclusively reserved to the characterization of graphene's vibrational properties, which probe its electronic properties only indirectly. In this work I unravel the electronic Raman signal of mono- and multi-layer graphene tuning it with a gate voltage. In order to do so, I combined advanced techniques of device fabrication with a Raman microscope specifically designed for this goal. By means of the electric field effect, I identified and quantified for the first time the intensity of the electronic Raman continuum of graphene due to the inter-band transitions through the Dirac cone. The spectra, with the presence of a Pauli blocking of electronic excitations, match perfectly with theoretical expectations. The polarization resolved measurements revealed an original property of Raman spectroscopy: it is a unique probe of chiral electronic excitations. This property, attributed to a quantum interferences phenomenon between scattering amplitudes, opens very interesting perspectives in the study of other two-dimensional crystals and of topological phases

Chan Chak Ming = 二元玻色-愛因斯坦凝聚態之硏究 / 陳澤明. / Thesis (M.Phil.)--Chinese University of Hong Kong, 2001. / Includes bibliographical references (leaves [100]-104). / Text in English; abstracts in English and Chinese. / Chan Chak Ming = Er yuan Bose-Aiyinsitan ning ju tai zhi yan jiu / Chen Zeming. / Abstract --- p.i / Acknowledgments --- p.ii / Contents --- p.iii / List of Figures --- p.vi / Chapter Chapter 1. --- Introduction --- p.1 / Chapter Chapter 2. --- Theory of Bose-Einstein Condensate (BEC) --- p.4 / Chapter 2.1 --- Trapped Ideal Bose Gas --- p.5 / Chapter 2.2 --- Bogoliubov Theory of Weakly Interacting Bosons --- p.7 / Chapter 2.2.1 --- One-component BEC --- p.7 / Chapter 2.2.2 --- Two-component BEC --- p.12 / Chapter Chapter 3. --- Condensate Wavefunctions and Collective Excitations --- p.16 / Chapter 3.1 --- Properties of Condensate Wavefunctions --- p.16 / Chapter 3.2 --- Collective Excitations --- p.21 / Chapter 3.3 --- Appendix: Numerical Methods and Practical Procedures --- p.26 / Chapter 3.3.1 --- Gradient Descent Method --- p.27 / Chapter 3.3.2 --- Iterative Diagonalization Method --- p.28 / Chapter 3.3.3 --- Practical Procedures --- p.30 / Chapter Chapter 4. --- Noncondensate Atoms in Homogeneous BEC --- p.33 / Chapter 4.1 --- Noncondensate Atoms in One-Component BEC --- p.33 / Chapter 4.2 --- Bogoliubov Theory for Two-species Homogeneous BEC --- p.35 / Chapter 4.3 --- Same Mass System: m1= m2 --- p.37 / Chapter 4.4 --- Unequal Mass System: m1 ≠ m2 --- p.48 / Chapter 4.5 --- Summary --- p.54 / Chapter Chapter 5. --- Noncondensate Atoms in a Trapped BEC --- p.55 / Chapter 5.1 --- Case I: The Noncondensate Atoms in the Mixture of Two Spin States of 87Rb --- p.57 / Chapter 5.2 --- Case II: The Noncondensate Atom in the Mixture of 87Rb and 23Na --- p.61 / Chapter 5.3 --- Summary --- p.64 / Chapter Chapter 6. --- Two-component BEC in Relative Motion --- p.65 / Chapter 6.1 --- Bogoliubov Theory for Motional Two BEC --- p.65 / Chapter 6.2 --- Stability Analysis --- p.69 / Chapter 6.2.1 --- Dynamical Stability Analysis --- p.69 / Chapter 6.2.2 --- Anomalous Mode Analysis --- p.75 / Chapter 6.2.3 --- "Critical Velocity, Anomalous Modes Critical Velocity and Sound Velocities" --- p.78 / Chapter 6.3 --- Motional Two-component BEC in a Ring --- p.80 / Chapter 6.4 --- Two-component BEC of the Same Species --- p.85 / Chapter 6.4.1 --- Moving Particles in Momentum Space --- p.88 / Chapter 6.4.2 --- Moving Particles in Real Space --- p.93 / Chapter 6.4.2.1 --- Strong coupling regime: (g > k02/2) --- p.93 / Chapter 6.4.2.2 --- Weak-coupling regime: (g《<k02/2) --- p.95 / Chapter 6.5 --- Summary --- p.95 / Chapter Chapter 7. --- Conclusion --- p.93 / Bibliography --- p.100

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Les excitations d'´echange de charge dans les noyaux constituent l'un des sujets importants et actuels en physique nucl´eaire et en astrophysique. En principe, une connaissance syst´ematique de l'´evolution du comportement de ces excitations `a travers la table des ´el´ements fournirait des informations directes sur les propri´et´es en spin et isospin de l'interaction entre nucl´eons dans le milieu nucl´eaire, et sur l'´equation d'´etat de la mati`ere nucl´eaire. Par ailleurs, une quantit´e d'importance essentielle pour la structure des noyaux, l'´epaisseur de la peau de neutrons, peut ˆetre d´etermin´ee par la r`egle de somme de la r´esonance spin-dipolaire (RSD) ou par la s´eparation en ´energie entre l'´etat isobarique analogue (EIA) et la r´esonance de Gamow-Teller (RGT). Plus g´en´eralement, les excitations d'´echange de charge permettent d'aborder des probl`emes d'int´erˆet g´en´eral tels que l'´etude de l'´evolution des ´etoiles `a neutrons et des supernovae, la d´ecroissance β des noyaux le long du processus r dans la nucl´eosynth`ese stellaire, ou les interactions neutrino-noyau. Elles jouent aussi un rˆole essentiel pour extraire la valeur de l'´el´ement Vud de la matrice de Cabibbo-Kobayashi- Maskawa par le biais de la r´eaction de d´ecroissance β super-permise 0+ → 0+ dans les noyaux. Pour toutes ces raisons, il est important de d´evelopper des th´eories microscopiques des excitations d'´echange de charge, et ceci constitue la principale motivation de notre recherche. Dans ce travail, nous ´etablissons le formalisme et les m´ethodes num´eriques pour d´ecrire les excitations d'´echange de charge dans le cadre de la Random Phase Approximation (RPA) selfconsistante construite sur l'approximation de Hartree-Fock relativiste (RHF). Un test important de pr´ecision num´erique est r´ealis´e sur l'´etat isobarique analogue. La m´ethode est ensuite utilis´ee pour mener des applications num´eriques r´ealistes sur un certain nombre de questions physiques: les r´esonances de spin-isospin dans les noyaux proches des noyaux magiques, les corrections dˆues aux m´elanges d'isospin dans les transitions β super-permises, les interactions neutrino-noyau dans les voies de courants charg´es. Pour les deux modes importants de spin-isospin que sont la RGT et la RSD nous trouvons qu'un excellent accord avec l'exp´erience est obtenu sans aucun r´eajustement des param`etres du mod`ele. De plus, les termes d'´echange de l'interaction induite par les m´esons isoscalaires jouent un rˆole essentiel dans les excitations de spin-isospin, `a la diff´erence de la RPA construite sur l'approximation de Hartree relativiste. En ce qui concerne notre ´etude des transitions β 0+ → 0+ super-permises l'une des conclusions est que les corrections δc dˆues aux violations de la sym´etrie d'isospin d´ependent sensiblement du champ moyen d'´echange produit par les interactions coulombiennes, mais ne changent pas sensiblement avec le mod`ele de Lagrangien utilis´e. Nous utilisons ces valeurs de δc pour d´eduire des plus r´ecentes valeurs exp´erimentales de ft dans les noyaux T = 1, et en tenant compte des corrections radiatives, les valeurs de Ft ”ind´ependantes de noyaux”. Nous obtenons ainsi des valeurs de l'´el´ement de matrice |Vud| de Cabbibo-Kobayashi-Maskawa en bon accord avec les valeurs d´eduites des d´ecroissances neutronique et pionique, et les transitions dans les noyaux miroirs, tandis que la somme des carr´es des ´el´ements de la premi`ere ligne d´evie l´eg`erement de la condition d'unitarit´e. Nous avons ´egalement utilis´e nos fonctions d'onde RPA pour ´evaluer les amplitudes de transition correspondant `a l'interaction faible lepton-hadron sous la forme standard courant-courant. Ainsi, les processus faibles semi-leptoniques tels que les r´eactions neutrino-noyau, capture leptonique charg´ee, d´esint´egration β, peuvent ˆetre ´etudi´es. Nos premi`eres applications concernent la r´eaction 16O(νe, e−)16F pour laquelle nous comparons nos pr´edictions avec celles d'autres auteurs. Dans la discussion des r´esultats nous nous effor¸cons en particulier de clarifier l'influence appr´eciable des diff´erentes prescriptions que l'on peut adopter pour le choix de la constante de couplage vecteur axiale et l'inclusion ou non des ´etats excit´es de basse ´energie dans le noyau final.

<p>This thesis is comprised of three original works presented in Chapters 4,5, and 6. The three projects are comprised of three different problems in condensed matter physics, the commonality between the topics is the technique used to study the materials, diffraction. Two of which are in the form of journal articles that have been peer-reviewed and published in Physical Review B, while the third is that of an unpublished work. The unpublished work is presented first and uses neutron scattering techniques, while two published papers were performed using x-ray diffraction.</p> <p>The neutron scattering experiments were performed by myself with the assistance of William J .L. Buyers and B.D. Gaulin. These experiments were performed at Chalk River Laboratories in northern Ontario. The x-ray scattering experiments were carried out on the rotating anode x-ray laboratory at McMaster University and the Advanced Photon Source in Argonne II. All data analysis was performed by myself under the guidance of B.D. Gaulin.</p> / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD)

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