19 Dec 2004. / Published through the Information Bridge: DOE Scientific and Technical Information. "IS-T 1936" Jongik Park. 12/19/2004. Report is also available in paper and microfiche from NTIS.

Defects in the functional oxides play an important role in electronic devices like metal oxide semiconductor field effect transistors (MOSFETs) and resistive random-access memories (ReRAMs). The continuous scaling of CMOS has brought the Si MOSFET to its physical technology limit and the replacement of Si channel with Ge channel is required. However, the performance of Ge MOSFETs suffers from Ge/oxide interface quality and reliability problems, which originates from the charge traps and defect states in the oxide or at the Ge/oxide interface. The sub-oxide layers composed of GeII states at the Ge/GeO2 interface seems unavoidable with normal passivation methods like hydrogen treatment, which has poor electrical properties and is related to the reliability problem. On the other hand, ReRAM works by formation and rupture of O vacancy conducting filaments, while how this process happens in atomic scale remains unclear. In this thesis, density functional theory is applied to investigate the defect behaviours in oxides to address existing issues in these electronic devices. In chapter 3, the amorphous atomic structure of doped GeO2 and Ge/GeO2 interface networks are investigated to explain the improved MOSFET reliability observed in experiments. The reliability improvement has been attributed to the passivation of valence alternation pair (VAP) type O deficiency defects by doped rare earth metals. In chapter 4, the oxidation mechanism of GeO2 is investigated by transition state simulation of the intrinsic defect diffusion in the network. It is proposed that GeO2 is oxidized from the Ge substrate through lattice O interstitial diffusion, which is different from SiO2 which is oxidized by O2 molecule diffusion. This new mechanism fully explains the strange isotope tracer experimental results in the literature. In chapter 5, the Fermi level pinning effect is explored for metal semiconductor electrical contacts in Ge MOSFETs. It is found that germanides show much weaker Fermi level pinning than normal metal on top of Ge, which is well explained by the interfacial dangling bond states. These results are important to tune Schottky barrier heights (SBHs) for n-type contacts on Ge for use on Ge high mobility substrates in future CMOS devices. In chapter 6, we investigate the surface and subsurface O vacancy defects in three kinds of stable TiO2 surfaces. The low formation energy under O poor conditions and the +2 charge state being the most stable O vacancy are beneficial to the formation and rupture of conducting filament in ReRAM, which makes TiO2 a good candidate for ReRAM materials. In chapter 7, we investigate hydrogen behaviour in amorphous ZnO. It is found that hydrogen exists as hydrogen pairs trapped at oxygen vacancies and forms Zn-H bonds. This is different from that in c-ZnO, where H acts as shallow donors. The O vacancy/2H complex defect has got defect states in the lower gap region, which is proposed to be the origin of the negative bias light induced stress instability.

In this thesis, I have investigated gas phase infrared spectroscopy of environmentally as well as astrophysical important large organic molecules such as naphthalene, methy-lated naphthalene, fluorine, methyalted fluorine etc. which are commonly known as polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs). Depending upon the molecular weight these organic molecules can exist both in gaseous as well as in the particulate state at room temperature hence they are the major environmental pollutants. They are also responsible for the unidentified infrared emission bands in the interstellar medium. Chapter 1 provides a brief introduction to my thesis work. A detailed literature survey on the importance, abundance of the PAHs in the environment as well as various spectroscopic techniques useful for identifying the PAHs has been done. Since the objective of my thesis work is to assign the observed fundamental infrared bands of large organic molecules with the help of high level quantum mechanical calculations, a brief introduction to the various high level quantum mechanical techniques that I have used in assigning the bands have been described in this chapter. In Chapter 2 I have presented the experimental and the theoretical methodologies in details. The chapter begins with a detailed description of the experimental procedure used for recording the infrared spectrum of these molecules followed by the theoretical methodologies used for the assignment of the observed infrared bands as well as for identifying the Fermi resonances. In Chapters 3 and 4, of this thesis I have recorded infrared spectrum of 1-and 2-methylnaphthalene (1-and 2-MN), fluorine (FL), 1-methylfluorene (1-MFL) and 1,8-dimethylfluorene (1,8-DMF) in the gas phase. The observed bands were assigned with the help of scaled harmonic frequency, scaled quantum mechanical harmonic force field (SQMFF) and enharmonic frequency calculations. The first two methods are based on the harmonic approximation, whereas the enharmonic frequency calculation is based on the standard second order perturbation theory. All these calculations gave me a partial fit to the fundamental bands in both aromatic and aliphatic C-H stretching as well as in the non C-H stretching region. At the end of both the chapters an error analysis in fitting the spectrum from all the three different calculations have been presented. Evidently the non linear least square fitting method employed in SQMFF calculation gives much better agreement between the experiment and theory than the other two methods. It has been observed in the experimental spectrum of methylated naphthalene that the band structure near the C-H stretch around 3000 cm−1 is very complicated and many bands and shoulders remain unassigned by the methods described in Chapters 3 and 4. Fermi resonance is one of the potential reason for the complicated band structure in this region. In Chapter 5, I have taken naphthalene and have investigated the Fermi resonance around the C-H stretching region using an effective vibrational hamiltonian (EVH) approach. In this method I have constructed an EVH consisting of 8 C-H stretches and 8 H-C-C in-plane bend overtones and 28 H-C-C in-plane bend combination modes as the basis. Both type 1 (stretch overtone) and type 2 (stretch combination) Fermi resonances were investigated. Calculated frequencies belonging to B1u and B2u irreducible representation were compared with the observed bands. Many bands and shoulders have been assigned as the overtone and combination modes of low frequency H-C-C bend motion obtained from the EVH approach. How-ever some bands remain unassigned in this method. This is perhaps due to the neglect of the carbon framework motion in the construction of the EVH. To improve upon the results obtained from the EVH formalism I included the carbon frame degrees of freedom and have carried out a full variation treatment in curvilinear coordinates. I have considered the 8 C-H stretches and 8 H-C-C in-plane bends of naphthalene as local mode oscillators and 17 coordinates belonging to the carbon framework motion as curvilinear normal mode oscillators. A quartic hamiltonian in a mixed local mode -normal mode basis was constructed including up to three body terms in both kinetic and potential energy part. The hamiltonian was subsequently recast into the ladder operator form and diagonal zed in a symmetry adapted basis with polyad constraints. Frequencies so obtained were compared to the experiment All these findings have been presented in Chapter 6 of this thesis. The concluding remark of the thesis and the future direction is presented in Chapter 7

Cette thèse présente de nouvelles techniques pour l'étude expérimentale des gaz quantique ultrafroids d'atomes fermioniques de lithium et de potassium. Dans la première partie de cette thèse, nous décrivons la conception et la caractérisation des nouveaux composants de notre dispositif expérimental capable de piéger et refroidir simultanément des atomes de $^6$Li et de $^{40}$K à des températures ultrabasses. Nous rendons compte d'une nouvelle technique de refroidissement sub-Doppler, reposant sur la transition de la raie D$_1$ des atomes alcalins, pour refroidir des atomes de lithium et de potassium par laser. Après cette étape de mélasse, nous avons mesuré une densité dans l'espace des phases de l'ordre de $10^{-4}$ à la fois pour le $^6$Li et le $^{40}$K. Nous présentons le refroidissement par évaporation forcée d'atomes de $^{40}$K qui commence dans un piège magnétique quadripolaire pluggé et continue dans un piège optique dipolaire. Dans ce contexte, nous rendons compte de la production d'un gaz quantique de Fermi dégénéré de $1.5\times10^5$ atomes de $^{40}$K dans un piège dipolaire croisé avec $T/T_{_F} = 0.17$, ce qui ouvre la voie à l'étude des superfluides de $^{40}$K en interaction forte. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous présentons une source laser à état solide, de faible largeur spectrale et capable d'émettre 5.2 W de puissance autour de 671 nm, dans la gamme des longueurs d'onde des transitions de la raie D du lithium. La source repose sur un laser en anneau pompé par diode, émettant sur la transition à 1342 nm de Nd:YVO$_4$, capable de produire 6.5 W de lumière dans un faisceau monomode limité par la diffraction. Nous rendons compte de trois différentes approches pour la génération de seconde harmonique du faisceau de sortie, à savoir en utilisant une cavité amplificatrice comprenant un cristal ppKTP, par doublage de fréquence intracavité et par un structure de guide d'onde de ppZnO:LN. / This thesis presents novel techniques for the experimental study of ultracold quantum gases of fermionic lithium and potassium atoms. In the first part of this thesis, we describe the design and characterization of the new components of our experimental apparatus capable of trapping and cooling simultaneously $^6$Li and $^{40}$K atoms to ultracold temperatures. We report on a novel sub-Doppler cooling mechanism, operating on the D$_1$ line transition of alkali atoms, for laser cooling of lithium and potassium. The measured phase space densities after this molasses phase are on the order of $10^{-4}$ for both $^6$Li and $^{40}$K. We present the forced evaporative cooling of $^{40}$K atoms, starting in an optically plugged magnetic quadrupole trap and continuing in an optical dipole trap. In this context, we report on the production of a quantum degenerate Fermi gas of $1.5\times10^5$ atoms $^{40}$K in a crossed dipole trap with $T/T_{_F} = 0.17$, paving the way for the study of strongly interacting superfluids of $^{40}$K. In the second part of this thesis, we present a narrow-linewidth, all-solid-state laser source, emitting 5.2 W in the vicinity of the lithium D-line transitions at 671 nm. The source is based on a diode-end-pumped unidirectional ring laser operating on the 1342 nm transition of Nd:YVO$_4$, capable of producing 6.5 W of single-mode light delivered in a diffraction-limited beam. We report on three different approaches for second-haromonic generation of its output beam, namely by employing an enhancement cavity containing a ppKTP crystal, intracavity frequency doubling and a ppZnO:LN waveguide structure.

Ultracold atomic systems have provided an ideal platform to study the physics of strongly interacting many body systems in an unprecedentedly controlled and clean environment. And, since fermions are the building blocks of visible matter, being naturally motivated we focus on the physics of ultracold fermionic systems in this thesis. There have been many recent experimental developments in these systems such as the creation of synthetic gauge fields, realization of dimensional crossover and realization of systems with synthetic dimensions. These developments pose many open theoretical questions, some of which we address in this thesis. We start the discussion by studying the spectral function of an ideal spin-12 Fermi gas in a harmonic trap in any dimensions. We discuss the performance of the local density approximation (LDA) in calculating the spectral function of the system by comparing it to exact numerical results. We show that the LDA gives better results for larger number of particles and in higher dimensions. Fermionic systems with quasi two dimensional geometry are of great importance because of their connections to the high-Tc superconducting cuprate materials. Keeping this in mind, we consider a spin-12 fermionic system in three dimensions interacting with a contact interaction and confined by a one dimensional optical potential in one direction. Using the Bogoliubov-de Gennes formalism, we show that with increasing the depth of the optical potential the three dimensional superfluid evolves into a two dimensional one by looking at the shifts in the radio-frequency spectrum of the system and the change in the binding energy of the pairs that are formed. The next topic of interest is studying the effect of synthetic gauge fields on the ultracold fermionic systems. We show that a synthetic non-Abelian Rashba type gauge field has experimentally observable signatures on the size and shape of a cloud of a system of non-interacting spin-12 Fermi system in a harmonic trap. Also, the synthetic gauge field in conjunction with the harmonic potential gives rise to ample possibilities of generating novel quantum Hamiltonians like the spherical geometry quantum Hall, magnetic monopoles etc. We then address the physics of fermions in “synthetic dimensions”. The hyperfine states of atoms loaded in a one dimensional optical lattice can be used as an extra dimension, called the synthetic dimension (SD), by using Raman coupling. This way a finite strip Hofstadter model is realized with a tunable flux per plaquette. The experimental realization of the SD system is most naturally possible in systems which also have SU(M) symmetric interactions between the fermions. The SU(M) symmetric interactions manifest as long-ranged along the synthetic dimension and is the root cause of all the novel physics in these systems. This rich physics is revealed by a mapping of the Hamiltonian of the system to a system of particles interacting via an SU(M) symmetric interaction under the influence of an SU(M) Zeeman field and a non-Abelian SU(M) gauge field. For example, this equivalence brings out the possibility of generating a non-local interaction between the particles at different sites; while the gauge filed mitigates the baryon (SU(M) singlet M-body bound states) breaking effect of the Zeeman field. As a result, the site localized SU(M) singlet baryon gets deformed and forms a “squished baryon”. Also, finite momentum dimers and resonance like states are formed in the system. Many body physics in the SD system is then studied using both analytical and numerical (Density Matrix Renormalization Group) techniques. This study reveals fascinating possibilities such as the formation of Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov states even without any “imbalance” and the possibility to evolve a “ferromagnet” to a “superfluid” by the application of a magnetic field. Other novel fermionic phases with quasi-condensates of squished baryons are also demonstrated. In summary, the topics addressed in this thesis demonstrate the possibilities and versatilities of the ultracold fermionic systems used in conjunction with synthetic gauge fields and dimensions

<p align="justify">Il y a un demi siècle, Fermi, Pasta et Ulam découvraient la récurrence du même nom, et créaient une discipline nouvelle, la dynamique non linéaire. Leur expérience numérique consistait à exciter le mode fondamental d'une chaîne d'oscillateurs reliés entre eux par des ressorts linéaires et faiblement non linéaires. Alors qu'ils s'attendaient à ce que l'énergie se répartisse progressivement sur un large spectre en raison du couplage non linéaire, ils observèrent au contraire un échange périodique (récurrent) d'énergie entre quelques-uns des modes d'ordre inférieur uniquement. Dix ans plus tard, des chercheurs ont interprété ce comportement récurrent comme le résultat de l'interaction entre des impulsions qui se propagent sans se déformer et résistent aux collisions entre elles, les solitons. Par la suite, le soliton a émergé dans différents domaines pour finalement occuper le cœur des sciences non linéaires. Et c'est sans doute en optique non linéaire que le soliton a connu ses plus grands succès, tant sur le plan fondamental que sur celui des applications. En particulier, les phénomènes non linéaires sont aisés à observer dans les fibres optiques grâce au large éventail des sources lasers disponibles et en raison du fort confinement de la lumière qui s'y propage.</p><p><p align="justify">Dans notre travail de thèse, nous avons apporté la première démonstration expérimentale de la récurrence de Fermi-Pasta-Ulam dans la dynamique d'instabilité modulationnelle en fibre optique. En effet, une onde continue perturbée évolue spontanément, sous certaines conditions, en un train d'impulsions :l'énergie est transférée du mode fondamental (l'onde continue) aux modes d'ordre supérieur. La théorie prévoit qu'ensuite, l'onde continue initiale se reforme comme l'énergie revient vers le mode fondamental. Pour réaliser cette expérience, il faut parvenir à rencontrer les conditions prescrites par la théorie tout en évitant l'intervention d'effets perturbateurs. Dans ce but, nous avons étudié l'évolution d'impulsions plateaux, qui reproduisent les conditions d'onde continue requises par la théorie tout en permettant d'atteindre des puissances suffisantes pour observer la récurrence.</p><p><p align="justify">Nous nous sommes ensuite intéressés à un nouveau type de soliton appelé paroi de domaines de polarisation, qui se présente comme la structure de commutation entre deux domaines semi-continus de polarisations circulaires orthogonales. En principe, les parois de domaines pourraient être exploitées dans les lignes de transmission optique où elles serviraient à séparer des séquences de bits de valeurs différentes, le 1 logique étant représenté par exemple par une polarisation circulaire droite, et le 0 par la polarisation circulaire orthogonale. Ces parois se propagent sans déformation et, contrairement aux solitons habituellement utilisés pour la transmission par fibre optique, elles conservent une position stable au sein du train de données transmis. Grâce à cette stabilité intrinsèque des parois de domaines, il devient possible de rapprocher des impulsions successives et d'accroître le débit des lignes de transmission, qui pourrait atteindre le Tbit/s en monocanal. Toutefois, les parois de domaines de polarisation n'existent en théorie que dans les fibres isotropes, alors que les fibres réelles sont soumises à de nombreuses perturbations qui les rendent biréfringentes. Dans notre travail, nous avons déterminé les paramètres d'une fibre spéciale qui permette l'observation de parois de domaines dans des conditions réalistes, mais nous n'avons pas réalisé l'expérience car la fibre commandée n'a pas pu être fabriquée.</p><p><p align="justify">Si l'amélioration des performances des systèmes de télécommunications futurs passera nécessairement par l'accroissement des débits d'information en monocanal, elle exigera également la mise au point de dispositifs tout optiques, donc ultra-rapides, destinés au routage et au traitement des signaux transmis. Au-delà des applications en télécommunications, le développement de tels dispositifs provoquerait une véritable révolution photonique :les photons, plus rapides, supplanteraient pour les tâches usuelles les électrons utilisés dans les transistors électroniques. Ces dispositifs photoniques sont généralement basés sur les propriétés particulières résultant de la périodicité intrinsèque des matériaux utilisés. Cette périodicité se traduit par l'existence d'une bande interdit :quand les photons s'y trouvent (on dit alors qu'ils vérifient approximativement la condition de Bragg), ils ne peuvent se propager. Par ailleurs, la transmission de ces dispositifs est contrôlée en exploitant leurs propriétés non linéaires. Dans le cas des fibres, la bande interdite peut être réalisée quasiment sur mesure en imposant une modulation périodique contrôlée de l'indice de réfraction de la fibre. On crée ainsi un réseau de Bragg fibré, dans lequel la lumière subit une forte réflexion quand elle vérifie la condition de Bragg. Pourtant, même dans ces conditions, des impulsions suffisamment intenses appelées solhiatons peuvent encore subsister et se déplacer dans le réseau, les effets non linéaires compensant la réflexion du réseau. Pour observer les solhiatons, il faut toutefois parvenir à plonger immédiatement et complètement les impulsions dans le réseau, sans quoi elles sont irrémédiablement réfléchies par le réseau. Pour y parvenir, nous avons généré un réseau de Bragg dynamique :il se déplace le long de la fibre avec les impulsions. Nous avons constaté le confinement de deux impulsions qui, en l'absence du réseau dynamique, se propageraient à des vitesses différentes en raison de la dispersion chromatique. Ces impulsions devraient en plus se propager sans déformation, mais nous n'avons pas pu l'observer dans nos conditions expérimentales. Ce confinement constitue la première démonstration expérimentale du processus de formation de solhiatons stationnaires. Transposé des fibres aux matériaux semi-conducteurs, le solhiaton pourrait être exploité dans certains types de transistors photoniques. Les perspectives sont ambitieuses de voir un jour les résultats de notre recherche fondamentale contribuer à l'émergence de nouvelles applications.</p><p><p> / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished

On trouve des manifestations de la physique quantique au niveau thermodynamique dansde nombreux systèmes. Un exemple marquant est la superfluidité, découverte au début du20ème siècle, que l’on retrouve de l’hélium aux étoiles à neutrons. Les gaz dilués ultrafroidsoffrent une polyvalence unique pour étudier des systèmes quantiquesmacroscopiques, pouvant directement tester les théories grâce à un environnementcontrôlé. Dans cette thèse, nous présentons plusieurs études expérimentales de gaz froidsde lithium. Le lithium fournit la possibilité de réaliser des ensembles de bosons et defermions, avec des interactions contrôlables entre les constituants. Nous présentons lestechniques utilisées pour préparer et étudier des gaz dégénérés de lithium, et uneamélioration possible des méthodes existantes. Nous décrivons premièrement une étudede la recombinaison à trois bosons avec une interaction à deux corps résonante. Comparésquantitativement à la théorie, ces résultats fournissent une référence pour les étudesfutures du gaz de Bose unitaire. Pour finir, nous présentons la première observationexpérimentale d’un mélange de superfluides de Bose et de Fermi. Nous démontrons queles deux composants sont superfluides et que leur écoulement relatif vérifie les propriétésdes écoulement superfluides, avec une absence de viscosité en dessous d’une vitessecritique puis la présence de dissipation au-delà. En utilisant des excitations collectives dece mélange, nous mesurons l’interaction entre les deux superfluides, en accord avec unmodèle théorique. / Manifestations of Quantum Physics at the thermodynamical level are found in a broadrange of physical systems. A famous example is superfluidity, discovered at the beginningof the 20th century and found in many different situations, from liquid helium to neutronstars. Dilute ultracold gases offer a unique versatility to engineer quantum many-bodysystems, which can be directly compared with theory thanks to the controllability of theirenvironment. In this thesis we present several experimental investigations led on ultracoldlithium gases. Lithium provides the possibility to study ensembles of bosons andfermions, with controllable interactions between the constituents. We present experimentaltechniques for preparation and studies of degenerate gases of lithium, with prospects forimprovement of the existing methods. We first report on an investigation of three-bodyrecombination of bosons under a resonant two-body interaction. This study, quantitativelycompared with theory constitutes a benchmark for further studies of the unitary Bose gas.Finally, we present the first experimental realization of a mixture of a Bose superfluid witha Fermi superfluid. We demon- strate that both components are in the superfluid regime,and that the counter-flow motion between them possesses the characteristics of superfluidflow, with the absence of viscosity below a critical velocity, and an onset of friction above.Using collective oscillations of the mixture, we measure the coupling between the twosuperfluids in close agreement with a theoretical model.

Les preuves pour l'existence de la matière noire (MN), sous forme d'une particule inconnue qui rempli les halos galactiques, sont issues d'observations astrophysiques et cosmologiques: son effet gravitationnel est visible dans les rotations des galaxies, des amas de galaxies et dans la formation des grandes structures de l'univers. Une manifestation non-gravitationnelle de sa présence n'a pas encore été découverte. L'une des techniques les plus prometteuse est la détection indirecte de la MN, consistant à identifier des excès dans les flux de rayons cosmiques pouvant provenir de l'annihilation ou la désintégration de la MN dans le halo de la Voie Lactée. Les efforts expérimentaux actuels se focalisent principalement sur une gamme d'énergie de l'ordre du GeV au TeV, où un signal de WIMP (Weakly Interacting Massive Particles) est attendu. L'analyse des mesures récentes et inédites des rayons cosmiques chargés (antiprotons, électrons et positrons) et leurs émissions secondaires et les améliorations des modèles astrophysiques sont présentées.Les données de PAMELA sur les antiprotons contraignent l'annihilation et la désintégration de la MN de manière similaire (et même légèrement meilleurs) que les contraintes les plus fortes venant des rayons gamma, même dans le cas où les énergies cinétiques inférieures à 10 GeV sont écartées. En choisissant des paramètres astrophysiques différents (modèles de propagation et profils de MN), les contraintes peuvent changer d'un à deux ordres de grandeur. Pour exploiter la totalité de la capacité des antiprotons à contraindre la MN, des effets précédemment négligés sont incorporés et se révèlent être importants dans l'analyse des données inédites de AMS-02 : ajouter les pertes d'énergie, la diffusion dans l'espace des moments et la modulation solaire peut modifier les contraintes, même à de hautes masses. Une mauvaise interprétation des données peut survenir si ces effets ne sont pas pris en compte. Avec les flux de protons et d'hélium exposé par AMS-02, le fond astrophysique et ces incertitudes du ratio antiprotons sur protons sont réévalués et comparés aux données inédites de AMS-02. Aucune indication pour un excès n'est trouvé. Une préférence pour un halo confinant plus large et une dépendance en énergie du coefficient de diffusion plus plate apparaissent. De nouvelles contraintes sur l'annihilation et la désintégration de la MN sont ainsi dérivés.Les émissions secondaires des électrons et des positrons peuvent aussi contraindre l'annihilation et la désintégration de la MN dans le halo galactique : le signal radio dû à la radiation synchrotron des électrons et positrons dans le champs magnétique galactique, les rayons gamma des processus de bremsstrahlung avec le gas galactique et de Compton Inverse avec le champs radiatif interstellaire sont considérés. Différentes configurations de champs magnétique galactique et de modèles de propagation et des cartes de gas et de champs radiatif interstellaire améliorés sont utilisées pour obtenir des outils permettant le calculs des émissions synchrotrons et bremsstrahlung venant de MN de type WIMP. Tous les résultats numériques sont incorporés dans la dernière version du Poor Particle Physicist Coookbook for DM Indirect Detection (PPPC4DMID).Une interprétation d'un possible excès dans les données de rayons gamma de Fermi-LAT au centre galactique comme étant dû à l'annihilation de MN en canaux hadronique et leptonique est analysée. Dans une approche de messagers multiples, le calcul des émissions secondaires est amélioré et se révèle être important pour la détermination du spectre pour le canal leptonique. Ensuite, les limites provenant des antiprotons sur l'annihilation en canal hadronique contraignent sévèrement l'interprétation de cet excès comme étant dû à la MN, dans le cas de paramètres de propagation et de modulation solaire standards. Avec un choix plus conservatif de ces paramètres elles s'assouplissent considérablement. / Overwhelming evidence for the existence of Dark Matter (DM), in the form of an unknownparticle filling the galactic halos, originates from many observations in astrophysics and cosmology: its gravitational effects are apparent on galactic rotations, in galaxy clusters and in shaping the large scale structure of the Universe. On the other hand, a non-gravitational manifestation of its presence is yet to be unveiled. One of the most promising techniques is the one of indirect detection, aimed at identifying excesses in cosmic ray fluxes which could possibly be produced by DM annihilations or decays in the Milky Way halo. The current experimental efforts mainly focus in the GeV to TeV energy range, which is also where signals from WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles) are expected. Focussing on charged cosmic rays, in particular antiprotons, electrons and positrons, as well as their secondary emissions, an analysis of current and forseen cosmic ray measurements and improvements on astrophysical models are presented. Antiproton data from PAMELA imposes contraints on annihilating and decaying DM which are similar to (or even slightly stronger than) the most stringent bounds from gamma ray experiments, even when kinetic energies below 10 GeV are discarded. However, choosing different sets of astrophysical parameters, in the form of propagation models and halo profiles, allows the contraints to span over one or two orders of magnitude. In order to exploit fully the power of antiprotons to constrain or discover DM, effects which were previously perceived as subleading turn out to be relevant especially for the analysis of the newly released AMS-02 data. In fact, including energy losses, diffusive reaccelleration and solar modulation can somewhat modify the current bounds, even at large DM masses. A wrong interpretation of the data may arise if they are not taken into account. Finally, using the updated proton and helium fluxes just released by the AMS-02 experiment, the astrophysical antiproton to proton ratio and its uncertainties are reevaluated and compared to the preliminarly reported AMS-02 measurements. No unambiguous evidence for a significant excess with respect to expectations is found. Yet, some preference for thicker halos and a flatter energy dependence of the diffusion coefficient starts to emerge. New stringed constraints on DM annihilation and decay are derived. Secondary emissions from electrons and positrons can also be used to constrain DM annihilation or decay in the galactic halo. The radio signal due to synchrotron radiation of electrons and positrons on the galactic magnetic field, gamma rays from bremsstrahlung processes on the galactic gas densities and from Inverse Compton scattering processes on the interstellar radiation field are considered. With several magnetic field configurations, propagation scenarios and improved gas density maps and interstellar radiation field, state-of-art tools allowing the computaion of synchrotron and bremssttrahlung radiation for any WIMP DM model are provided. All numerical results for DM are incorporated in the release of the Poor Particle Physicist Coookbook for DM Indirect Detection (PPPC4DMID). Finally, the possible GeV gamma-ray excess identified in the Fermi-LAT data from the Galactic Center in terms of DM annihilation, either in hadronic or leptonic channels is studied. In order to test this tantalizing interprestation, a multi-messenger approach is used: first, the computation of secondary emisison from DM with respect to previous works confirms it to be relevant for determining the DM spectrum in leptonic channels. Second, limits from antiprotons severely constrain the DM interpretation of the excess in the hadronic channel, for standard assumptions on the Galactic propagation parameters and solar modulation. However, they considerably relax if more conservative choices are adopted.

On considère généralement que la fonction d’onde macroscopique décrivant un condensat de paires de fermions possède une phase parfaitement définie et immuable. En réalité, il n’existe que des systèmes de taille finie, préparés à température non nulle ; le condensat possède alors un temps de cohérence fini, même lorsque le système est isolé. Cet effet fondamental, crucial pour les applications qui exploitent la cohérence macroscopique, restait très peu étudié.Dans cette thèse, nous relions le temps de cohérence à la dynamique de phase du condensat, et nous montrons par une approche microscopique que la dérivée temporelle de l’opérateur phase ˆθ0 est proportionnelle à un opérateur potentiel chimique qui inclut les deux branches d’excitations du gaz : celle, fermionique, de brisure des paires et celle, bosonique, de mise en mouvement de leur centre de masse. Pour une réalisation donnée de l’énergie E et du nombre de particules N, la phase évolue aux temps longs comme −2μmc(E,N)t/~ où μmc(E,N) est le potentiel chimique microcanonique ; les fluctuations de E et de N d’une réalisation à l’autre conduisent alors à un brouillage balistique de la phase, et à une décroissance gaussienne de la fonction de cohérence temporelle avec un temps caractéristique ∝ N1/2. En l’absence de telles fluctuations, la décroissance est au contraire exponentielle avec un temps de cohérence qui diverge linéairement en N à cause du mouvement diffusif de ˆθ0 dans l’environnement des modes excités. Nous donnons une expression explicite de ce temps caractéristique à bassetempérature dans le cas d’une branche d’excitation bosonique convexe lorsque les phonons interagissent via les processus 2 ↔ 1 de Beliaev-Landau. Enfin, nous proposons des méthodes permettant de mesurer avec un gaz d’atomes froids chaque contribution au temps de cohérence / It is generally assumed that a condensate of paired fermions at equilibrium is characterized by a macroscopic wavefunction with a well-defined, immutable phase. In reality, all systems have a finite size and are prepared at non-zero temperature ; the condensate has then a finite coherence time, even when the system is isolated. This fundamental effect, crucial for applicationsusing macroscopic coherence, was scarcely studied. Here, we link the coherence time to the condensate phase dynamics, and show using a microscopic theory that the time derivative of the condensate phase operator ˆθ0 is proportional to a chemical potential operator which includes both the fermionic pair-breaking and the bosonic pair-motion excitation branches.For a given realization of the number of particle N and of the energy E, the phase evolves at long times as −2μmc(E,N)t/~ where μmc(E,N) is the microcanonical chemical potential ; fluctuations of N and E from one realization to the other then lead to a ballistic spreading of the phase and to a Gaussian decay of the temporal coherence function with a characteristictime ∝ N1/2. On the contrary, in the absence of energy and number fluctuations, the decay of the temporal coherence function is exponential with a characteristic time scaling as N due to the diffusive motion of ˆθ0 in the environnement created by the excited modes. We give an explict expression of this characteristic time at low temperature in the case where the bosonicbranch is convex and the phonons undergo 2 ↔ 1 Beliaev-Landau process. Finally, we propose methods to measure each contribution to the coherence time using ultracold atoms.

The electrical properties of ZnO and contacts to ZnO have been investigated using different techniques. Temperature dependent Hall (TDH) effect measurements have been used to characterize the as-received melt grown ZnO samples in the 20 – 330 K temperature range. The effect of argon annealing on hydrogen peroxide treated ZnO samples has been investigated in the 200 – 800oC temperature range by the TDH effect measurement technique. The experimental data has been analysed by fitting a theoretical model written in Matlab to the data. Donor concentrations and acceptor concentrations together with the associated energy levels have been extracted by fitting the models to the experimentally obtained carrier concentration data by assuming a multi-donor and single charged acceptor in solving the charge balance equation. TDH measurements have revealed the dominance of surface conduction in melt grown ZnO in the 20 – 40 K temperature range. Surface conduction effects have proved to increase with the increase in annealing temperature. Surface donor volume concentrations have been determined in the 200 – 800oC by use of theory developed by D. C. Look. Good rectifying Schottky contacts have been fabricated on ZnO after treating the samples with boiling hydrogen peroxide. Electrical properties of these Schottky contacts have been investigated using current-voltage (IV) and capacitance-voltage (CV) measurements in the 60 – 300 K temperature range. The Schottky contacts have revealed the dominance of predominantly thermionic emission at room temperature and the existence of other current transport mechanisms at temperatures below room temperature. Polarity effects on the Schottky contacts deposited on the O-polar and Zn-polar faces of ZnO have been demonstrated by the IV technique on the Pd and Au Schottky contacts at room temperature. Results obtained indicate a strong dependence of the Schottky contact quality on the polarity of the samples at room temperature. The quality of the Schottky contacts have also indicated their dependence on the type of metal used with the Pd producing contacts with the better quality as compared to the Au. Schottky barrier heights determined using temperature dependent IV measurements have been observed to increase with increasing temperature and this has been explained as an effect of barrier inhomogeneities, while the ones obtained from CV measurements have proved to follow the negative temperature coefficient of the II – VI semiconductor material, i.e. a decrease in barrier height with increasing temperature. However, the values have proved to be larger than the energy gap of ZnO, an effect that has been explained as caused by an inversion layer. Copyright / Dissertation (MSc)--University of Pretoria, 2010. / Physics / unrestricted