Helium-3 surface spin echo spectroscopy (HeSE) has been used to measure the diffusive dynamics of adsorbates on close-packed metal surfaces, namely hydrogen on Cu(111), Pd(111) and Ru(0001), carbon and oxygen on Ru(0001), and oxygen on Cu(111). Chapter 2 reviews the HeSE technique and describes the relevant dynamical models and statistical methods used to interpret data in later chapters. The performance of the ionizing detector is analysed, with a focus on the signal-to-noise ratio. In Chapter 3 expressions for the classical intermediate scattering function (ISF) are introduced for open and closed systems. The effects of corrugation and surface-perpendicular motion on the amplitude of different components in the ISF are modelled analytically and compared with simulation. The exact ISF for a particle on a flat surface, obeying the Generalized Langevin Equation with exponential memory friction, is calculated analytically. In Chapter 4 the analytical ISF is calculated for quantum Brownian motion and for coherent tunneling dynamics in a tight binding system. The bounce method for calculating quantum mechanical hopping rates in dissipative systems is applied to model diffusion of hydrogen on Ru(0001). Chapter 5 presents the first HeSE measurements of carbon and oxygen diffusion. C/Ru(0001) diffusion is assigned to a small carbon cluster. The jump rate has an activation energy $E_{A}=292\pm7\,$meV in the temperature range $550\,\textrm{K}\leq T \leq 1300\,$K. Oxygen diffusion is significantly slower. By comparison of literature data with the new HeSE results, the activation energy for oxygen diffusion at low coverage is estimated as $650\pm10$meV. Oxygen measurements at high coverage $\theta\approx0.22\,$ML are consistent with strong mutual O-O interactions. Surface diffusion is also observed after exposing Cu(111) to oxygen. Chapter 6 presents low-coverage measurements of protium (H) and deuterium (D) diffusion on Ru(0001), Pd(111) and Cu(111). In the quantum activated regime there is evidence for multiple jumps in all three systems, suggesting a low dynamical friction. The measurements on Ru(0001) indicate that the deep tunneling rate is much slower for D than for H.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / É conhecido que derivações microscópicas obtidas através de métodos de teoria quântica de campos (TQC) podem conduzir a complicadas equações de movimento (EdM) que possuem um termo dissipativo com memória e um termo de ruído colorido. Um caso particularmente interessante é o modelo que escreve a interação entre um sistema e um banho térmico a temperatura T. Motivado por isso, usamos uma prescrição que nos permite reescrever EdMs não-markovianas semelhantes as obtidas em TQC em termos de um sistema de equações locais, para então confrontarmos a solução desse sistema com a solução aproximada usada correntemente na literatura, a chamada aproximação markoviana. A pergunta chave a qual se pretende responder aqui é: dado um conjunto de parâmetros que descrevem o modelo, a aproximação markoviana é suficientemente boa para descrever a dinâmica do sistema se comparada a dinâmica obtida atravéS da EdM não-markoviana? Além disso, consideramos uma versão linear da ELG de forma que pudéssemos determinar o nível de confiança da nossa metodologia numérica, procedimento este realizado comparando-se a solução analítica com a solução numérica. Como exemplo de aplicação prática do tema discutido aqui, comparamos a evolução não-markoviana do inflaton com a evolução markoviana do mesmo num modelo de universo primordial denominado inflação não-isentrópica (warm inflation). / It is known that microscopic derivations based on quantum field theory (QFT)methods can lead to quite complicated equations of motion (EoM) with a dissipation term with memory and a colored noise term. A very interesting particular case is the model that describes the interaction between a system and a thermal bath at some temperature T. Motivated by this, we use a prescription that allow us to rewrite similar non-Markovian EoMs to that obtained in QFT in terms of a set of local equations, so that we can contrast the solution of this system of equations with the approximated solution currently used in the literatury, the so-called Markovian approximation. The key question we want to address here is: given a set of parameters that characterizes the system and the bath, is the Markovian approximation good enough to represent the system's dynamics? We also have considered a linear version of the non-Markovian equation in order to check the confiability of our numerical approach. For that, we have compared the analytical solution with the numerical one. As an example of practical application of the theme discussed here, we contrast the non-Markovian and the Markovian evolution of the inflaton field in an early universe model called warm in inflation.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / É conhecido que derivações microscópicas obtidas através de métodos de teoria quântica de campos (TQC) podem conduzir a complicadas equações de movimento (EdM) que possuem um termo dissipativo com memória e um termo de ruído colorido. Um caso particularmente interessante é o modelo que escreve a interação entre um sistema e um banho térmico a temperatura T. Motivado por isso, usamos uma prescrição que nos permite reescrever EdMs não-markovianas semelhantes as obtidas em TQC em termos de um sistema de equações locais, para então confrontarmos a solução desse sistema com a solução aproximada usada correntemente na literatura, a chamada aproximação markoviana. A pergunta chave a qual se pretende responder aqui é: dado um conjunto de parâmetros que descrevem o modelo, a aproximação markoviana é suficientemente boa para descrever a dinâmica do sistema se comparada a dinâmica obtida atravéS da EdM não-markoviana? Além disso, consideramos uma versão linear da ELG de forma que pudéssemos determinar o nível de confiança da nossa metodologia numérica, procedimento este realizado comparando-se a solução analítica com a solução numérica. Como exemplo de aplicação prática do tema discutido aqui, comparamos a evolução não-markoviana do inflaton com a evolução markoviana do mesmo num modelo de universo primordial denominado inflação não-isentrópica (warm inflation). / It is known that microscopic derivations based on quantum field theory (QFT)methods can lead to quite complicated equations of motion (EoM) with a dissipation term with memory and a colored noise term. A very interesting particular case is the model that describes the interaction between a system and a thermal bath at some temperature T. Motivated by this, we use a prescription that allow us to rewrite similar non-Markovian EoMs to that obtained in QFT in terms of a set of local equations, so that we can contrast the solution of this system of equations with the approximated solution currently used in the literatury, the so-called Markovian approximation. The key question we want to address here is: given a set of parameters that characterizes the system and the bath, is the Markovian approximation good enough to represent the system's dynamics? We also have considered a linear version of the non-Markovian equation in order to check the confiability of our numerical approach. For that, we have compared the analytical solution with the numerical one. As an example of practical application of the theme discussed here, we contrast the non-Markovian and the Markovian evolution of the inflaton field in an early universe model called warm in inflation.