Cette thèse théorique s'inscrit dans l'univers de l'Informatique quantique et celui du transfert d'énergie. Nous étudions le transport quantique d'un exciton utilisé dans le but de véhiculer une information quantique, ou de l'énergie, sur des graphes moléculaires complexes. Dans ce contexte, nous nous intéressons aux effets de différents environnements quantiques pouvant moduler le transport excitonique. Une première partie du manuscrit porte sur le transport d'information quantique en pré­sence d'un environnement de phonons locaux. Dans ce contexte, nous introduisons une ap­proche théorique appelée PT* permettant de traiter sur un pied d'égalité exciton et pho­nons. Cette théorie est tout d'abord appliquée au cas particulier du graphe en étoile. Par la suite, PT* est comparée à des calculs exacts menés sur une collection de graphes variés. Nous montrons ainsi que la théorie PT* possède une très grande force de prédictibilité et de multiples avantages théoriques et numériques ( durée de simulation, interprétations liées à l'intrication ... ) . Dans une deuxième partie du manuscrit, nous étudions le transport quantique d'énergie sur un graphe complexe en contact avec un système externe absorbant. Nous nous intéressons tout particulièrement à la caractérisation du phénomène d'absorption énergétique et son opti­misation (transition de superradiance). Nous mettons en évidence l'impact de la topologie du réseau sur l'évolution du processus d'absorption. Pour étendre cette étude, nous considérons ensuite la présence d'un désordre local brisant la symétrie du réseau de base. Nous montrons alors que le désordre peut influencer positivement l'évolution du processus d'absorption. / The scope of this PhD is twofold and can be integrated simultaneously in quantum infor­mation theory and energy transport. We theoretically study the excitonic quantum transport in order to transmit either quantum information or energy on complex molecular networks. In this context, we pay a special attention to the modulations that different quantum envi­ronments can generate on the excitonic transport. In a first part of the manuscript, we focus on the quantum transport of information in the presence of a local phononic environment. In this context, we introduce a theoretical approach, named PT*, treating on an equal footing exciton and phonons. Firstly, this theory is applied to a particular case : the star graph. Then, PT* is compared to exact numerical calculations realized on a collection of different graphs. In this context, we demonstrate that the PT* approach shows a very strong predictability but also several theoretical and numerical advantages (simulation duration, entanglement interpretations ... ). In a second part of the manuscript, we study the quantum transport of energy on a complex graph in contact with an external absorbing system. We focus on the optimisation of the absorption process ("superradiance transition"). We demonstrate that the topology of the considered network influences the absorption evolution. In order to extend this study, we then consider the presence of a local disorder breaking the inner symetry of the graph. In this context, we show that the disorder can benefically influence the absorption process.

Le travail de thèse porte sur la conception et la réalisation de deux modulateurs optiques assistés par phonon-polaritons de surface fonctionnant en réflectivité, autour de 8.5 THz, à température ambiante. Nous avons dans un premier temps validé expérimentalement la description théorique du couplage du champ propagatif aux phonons polaritons de surface pour un réseau de GaAs grâce à des mesures de réflectivité THz résolues angulairement. Nous montrons l'importance de la géométrie de la structure pour une description quantitative du couplage. Nous avons réalisé un modulateur de réflectivité THz contrôlé optiquement. La structure est un réseau lamellaire de GaAs dopé , de période inférieure à la longueur d'onde supportant un mode composé de plasmon-phonon-polaritons de surface se propageant le long des murs du réseau. L'éclairement de la structure dans le visible modifie la fréquence de résonance THz de ce mode en créant des photo-porteurs dans les murs du réseau et permet ainsi un contrôle actif de la réflectivité.Enfin nous étudions et réalisons un modulateur de réflectivité THz contrôlé électriquement. Nous proposons une structure permettant d'exciter un mode de phonon-polaritons d'interface dans un puits quantique. Ce mode est très confiné dans le puits et présente une forte sur-intensité de champ. Cet effet original est lié à la permittivité du puits proche de zéro à la fréquence du mode d'interface. La perturbation engendrée par des transitions intersous-bandes dans le puits quantique unique permet, en appliquant une tension de l'ordre du volt, de contrôler l'intensité du couplage du champ propagatif au mode du puits, ce qui donne un contrôle actif de la réflectivité de la structure. / In this work we report the design and fabrication of two THz modulators, assisted by surface phonons polaritons. Both devices work around 8.5 THz at room temperature.We first validate experimentally the coupling of the propagating field to surface-phonons polaritons on a GaAs grating by angular resolved THz reflectivity measurements. We show that a good knowledge of the grating geometry is necessary to have a quantitative description of the coupling.We have fabricated an optically controled THz modulator made of a doped GaAs lamellar grating with subwavelength dimensions. This grating supports surface-plasmon-phonons polaritons along the grating walls. The THz resonance frequency is then modified by shining visible light on the grating, which creates photo-electrons. This allows a dynamic optical control of the THz reflectivity.Finally we present an electrically controlled THz modulator. We design a structure that allows the coupling of the propagating field to an interface-phonon polaritons in a single quantum well. This mode is confined inside the quantum well and gives a high field enhancement. This original effect is due to a near-zero dielectric function of the well at the interface-mode frequency. The perturbation introduced by intersubband transitions in the single quantum well allows, by applying a voltage of about one volt, a control of the coupling intensity between the propagating field and the interface mode, leading to a change in the structure reflectivity.

Nous avons étudié durant cette thèse les transferts de chaleur mettant en jeu différents types de porteur d'énergie - phonons, électrons et photons - dans des matériaux nanostructurés. A ces échelles, les lois régissant les phénomènes physiques sont différentes des lois macroscopiques. Il est donc nécessaire de développer de nouveaux outils pour étudier ces nouveaux mécanismes. Dans une première partie, nous nous sommes intéressés aux propriétés ondulatoires des phonons thermiques. Nous avons ainsi développé une théorie pour quantifier leur cohérence temporelle et spatiale. Dans une seconde partie, nous nous sommes tournés vers la thermo-plasmonique, c'est-à-dire vers le chauffage par absorption de lumière d'un métal et la redistribution de l'énergie au réseau cristallin par interactions électron/phonon. Dans une dernière partie, nous avons porté notre étude sur la possibilité d'incluer les effets quantiques dans la Dynamique Moléculaire, ouvrant ainsi l'accès aux propriétés thermiques de nanomatériaux aux basses températures. / Energy transport at the nanoscale involves different types of carriers - phonon, electron and photon. Their spatial confinement in nanostructured materials implies the invalidation of the macroscopic laws of heat transfer. Therefore, new mechanisms arise and lead to novel thermal properties. This manuscript is devoted to the study of phonon transport in nanomaterials as well as the dissipation processes involving photon/electron and electron/phonon interactions. It is divided in three independent parts. We have first investigated the wave properties of thermal phonons. We have developed a theory to quantitatively assess the coherence of these carriers. Then, we have adressed the coupling between plasmonics and phonon transport in metallic materials. The objective is to quantify how the heat generated by the absorption of an electromagnetic energy will impact the surrounding medium. In the last part, we have included the Bose-Einstein quantum statistics in Molecular Dynamics simulations in order to compute thermal properties of nanomaterials at low temperatures.

Le graphène planaire se présente comme un des matériaux les plus prometteurs pour la nanoélectronique de demain, grâce particulièrement à sa conductivité thermique et sa mobilité électronique qui sont les plus élevées jamais mesurées dans un solide. Parmi ses allotropes, le graphène découpé en nanorubans est une des formes les plus intéressantes, notamment pour les possibilités d'ingénierie de bandes qu'il offre. Ses propriétés électroniques et vibrationnelles sont fortement influencées par la présence des bords et s’éloignent de celles du graphène planaire. A ce jour, ses propriétés thermiques et thermoélectriques ont été encore peu explorées. Dans ce travail de thèse, grâce à une modélisation atomistique du réseau cristallin, les modes de vibration caractéristiques de chaque type de ruban ont été identifiés et, dans le cadre du formalisme des fonctions de Green hors équilibre, le transport de ces modes a été simulé. On a ainsi évalué les propriétés thermiques des nanorubans en identifiant les types de rubans offrant la plus forte conductance thermique pour envisager une meilleure gestion de la chaleur dans les dispositifs du futur. Dans la direction opposée, des techniques de nanostructuration du ruban permettent de dégrader le transport des phonons et d’amplifier la figure de mérite thermoélectrique en bénéficiant simultanément d'un phénomène de transport électronique résonant. En exploitant ces techniques, un premier dispositif thermoélectrique basé sur les nanorubans de graphène a été conçu et ses performances ont été évaluées par une approche multi-échelle. La possibilité de très forte densité d’intégration du graphène fait l’intérêt d’un tel dispositif qui pourrait fournir des puissances électriques ou de refroidissement très supérieures à celles des dispositifs thermoélectriques actuels. / 2D graphene is one of the most promising materials for nanoelectronics; its thermal conductivity and electronic mobility are the highest ever measured in solids. Among its allotropes, graphene cut in nanoribbons (GNRs) is one of the most interesting structures because it offers possibilities of bandgap engineering. Electronic and vibrational properties of GNRs are strongly affected by the presence of the edges and can differ significantly from those of 2D graphene. Up to now, their thermal and thermoelectric properties have been rarely explored. In this thesis, using an atomistic model of crystal lattice, the vibrational modes associated to each type of ribbon have been identified and via the formalism of nonequilibrium Green’s functions, the transport of these modes has been simulated. We have evaluated the better ribbon structures in terms of thermal conductance for a better heat management in future devices and circuits. On the other side we have identified some particular nanostructured ribbons where the thermoelectric figure of merit is strongly amplified thanks to both the degradation of phonon conductance and the occurring of resonant electron transport. A first thermoelectric device based on such GNRs has been designed and its performance has been evaluated using a multi-scale approach. This device becomes interesting in the case of high integration density of GNRs.

Inhalt der vorliegenden Dissertation ist die Untersuchung der elektronischen und magnetischen Eigenschaften der Schwerfermionensubstanz CeCu2. Dafür wurden makroskopische Messungen der Magnetisierung, der Suszeptibilität sowie der spezifischen Wärme aus der Literatur miteinander verglichen und eigenen Neutronenstreuexperimenten gegenübergestellt. Ein Teil der Arbeit widmet sich der Entwicklung des neuen Dreiachsenspektrometers PANDA am FRM2 München. Für dieses wurden umfangreiche Simulationen durchgeführt, um zukünftige Leistungsdaten zu spezifizieren. Mit dem Ray - Trace - Simulationspaket McStas wurde das Neutronenstreugerät modelliert und das Zusammenspiel der neutronenoptischen Bauelemente optimiert. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit Messungen und Rechnungen zum magnetischen Phasendiagramm von CeCu2. Dazu wurden eigene Messungen der Magnetisierung (VSM) und elastische Neutronenstreuexperimente (D23, ILL Grenoble) einer McPhase - Rechnung gegenübergestellt. Der nächste Abschnitt der Arbeit befasst sich mit elastischen und inelastischen Neutronenstreuexperimenten (IN12 & IN20, ILL Grenoble) an CeCu2 Einkristallen. Diese Messungen untersuchen die statischen (Struktur, Phasendiagramm) sowie dynamischen Eigenschaften (Anregungen) in dieser Substanz. Insbesondere beschäftigen sich diese Messungen mit den Dispersionsrelationen der Magnonen in hohen magnetischen Feldern bis zu mu0H = 12 Tesla. Für diese Experimente wurde eine neue Probenbox für den Einsatz in Hochfeldmagneten entwickelt, welche die Probe fixiert und in einer Schutzgasatmosphäre einschließt. In den Messungen wurde eine unerwartete, dispersionslose Anregung gefunden, welche mit dem derzeitigen Spinwellenmodell unverträglich ist. Bei Erhöhung des Magnetfeldes steigt die Anregungsenergie doppelt so schnell, wie von gewöhnlichen Magnonen erwartet wird. Zur Erklärung wird ein neutroneninduzierter pi/2 - Spinflop - Prozess vorgeschlagen. In einer anderen Messung wurde mit polarisierten Neutronen nach dem bisher indirekt nachgewiesenen, ersten angeregten Kristallfeldniveau bei 9 Millielektronenvolt gesucht. Bei wachsenden Temperaturen konnte kaum magnetische Streuintensität unterhalb 10 Millielektronenvolt gefunden werden. Jedoch wurde eine stark verbreiterte Intensität von 8 bis 15 Millielektronenvolt gemessen. Diese Energie korreliert mit dem Übergang zwischen den angeregten Kristallfeldniveaus. Als Ursache für die Verbreiterung wird eine Kristallfeld - Phonon - Wechselwirkung angegeben. Aus dem Vergleich der in verschiedenen Richtungen gemessenen magnetischen Streuintensitäten des 23 Millielectronvolt Kristallfeldüberganges können dessen Übergangsmatrixelemente abgeschätzt werden. Diese wurden den errechneten Werten der veröffentlichten Kristallfeldparametersätze gegenübergestellt. Es zeigte sich, dass die alten Parametersätze die neuen Messdaten nicht beschreiben können. Deshalb wurde ein neuer Satz aufgestellt, welcher erstmals sowohl die makroskopischen Messungen als auch die Neutronenstreuexperimente erklärt. / In this thesis, the electronic and magnetic properties of the heavy-fermion system CeCu2 are investigated. For that purpose, measurements of susceptibility, magnetisation and specific heat from literature are compared with each other and are compared with neutron-scattering experiments performed for the present work. One part of the thesis is addressed to the design of the new triple-axis spectrometer PANDA, which is situated at the research reactor FRM2 in Munich. Extensive simulations were performed with the ray - tracing simulation package McStas in order to model this neutron scattering instrument and to optimise its neutron optic elements. The second part of this work deals with measurements and calculations of the magnetic phase diagram of CeCu2. The experiments include the macroscopic magnetisation (VSM) and elastic neutron-scattering measurements (D23, ILL Grenoble). The McPhase calculations are in a good agreement with the experiments. The next part presents elastic and inelastic neutron-scattering experiments (IN12 & IN20, ILL Grenoble) at CeCu2 single crystals. These measurements investigate the static (phase diagram) as well as dynamic properties (excitations) of this compound. Especially, the experiments are concentrated on the investigation of the dispersion relation of magnons in magnetic fields up to mu0H = 12 tesla. For these measurements, a new sample holder suitable for use in high magnetic fields was designed, which fixes the sample in a hermetically sealed containment. In the experiments an unexpected dispersionless excitation was observed, which does not fit the standard magnon model. With increasing magnetic field the energy of this excitation increases with a slope of twice the value expected for regular magnons. A neutron - induced pi/2 spin - flop process is proposed to explain this excitation. In another measurement with polarised neutrons the first excited crystal - field level at 9 millielectronvolt, which has not been directly detected up to now, was investigated. With increasing temperature, only small magnetic scattering intensity occurs below 10 millielectronvolt. >From 8 to 15 millielectronvolt a broad signal was detected, which corresponds to the energy of the transition between the two excited levels. Due to a strong crystal field - phonon interaction, the width is unusually broadened. The transition matrix elements can be estimated from the comparison of the components of the magnetic scattering intensities of the 23 millielectronvolt crystal - field transition. These values were compared with the calculated values from published crystal-field parameter sets. The old sets cannot explain the new measurements. A new set was derived which accounts for the macroscopic measurements and for the neutron - scattering data, too.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Cette thèse traite des problématiques fondamentales liées aux phonons dans le cadre des cellules solaires à porteurs chauds. Ce concept appartient aux technologies photo-voltaïques dites de troisième génération, et vise à l’extraction des porteurs de chargesphotogénérés non-encore à l’équilibre thermique avec le réseau cristallin, conduisant àun rendement théorique maximum de l’ordre de la limite thermodynamique. Un des enjeuxmajeurs est ainsi le ralentissement du refroidissement des porteurs, refroidissement qui setraduit principalement par l’émission de phonon LO via l’interactions électron-phonon.En plus de l’idée d’écranter ce dernier processus, une approche consiste à concevoir unmatériau absorbeur dans lequel le phonon LO présente un temps de vie intrinsèque pluslong qu’il ne l’est dans les matériaux classiques, favorisant ainsi sa réabsorption par lesporteurs. Dans une première partie, et utilisant la théorie de la fonctionnelle densité per-turbée, la décoposition du phonon LO est étudiée en terme d'états finaux disponibles. Suit une discussion sur le calcul du temps de vie de ces phonons, et sur la possibilité d’atteindre les critères phononiques définis comme suffisants. Dans une deuxième partie, une étude de l’interaction électron-phonon est menée dans les super-réseaux. La constante de couplage est reliée au champ électriquemacroscopique induit par le phonon LO, de sorte à pourvoir précisément rendre compte deson anisotropie. Il apparaît que la dimensionalité des populations électroniques et phononiques est différemment affectée. Cette étude appelle à développer l’analyse de ce type de structure dans le cadre des cellules à porteurs chauds. / This thesis deals with fundamental issues related to phonons in hot-carrier solar cells, athird generation photovoltaic technology. This concept aims at extracting photogeneratedcharge carriers before their reach a thermal equilibrium with the lattice, and exhibits a the-oretical efficiency close to thermodynamic limit. One of the main issue is to hinder carriercooling, which occurs through LO-phonon emission. In addition to the idea of screeningthe electron-phonon interaction, one approach consists in designing an absorber in which theLO-phonon has an intrinsic lifetime longer than what it is in conventional materials, en-hancing the rate of its reabsorption by the carriers. The LO-phonon decay and lifetimeis first investigated in semiconductors within density functional perturbation theory. Spe-cific criteria for relevant absorbing materials choosing, from a phonon point of view, arederived. A full study of the LO-phonon lifetime is performed on a singular material, andthe possibility to achieve the sufficient phononic requierements is discussed. Secondly, theabove-mentioned electron-phonon interaction is modelled in superlattices. The couplingstrength is related to the LO-phonon induced macroscopic electric field, which allows tostudy the directional dependence of the phonon emission. The latter reveals to differentlyaffect the dimensionality of the electronic and phononic interacting populations. Thisstudy calls for development of these structure in the framewok of hot-carrier solar cells.

Electronics industry has been developing at a tremendous rate for last five decades and currently is one of the biggest industries in the world. The key to the rapid growth of electronics industry is innovation that made possible the constant scaling of transistors with reduced cost and improved performance. Scaling transistors were simpler at the beginning, but currently as the gate length of transistors has reached few nanometers, different short channel effects have emerged and power density of transistors has also increased drastically, which made further scaling much more challenging. To study electro-thermal transport in these reduced dimensionality devices, continuum models are no longer sufficient. In this work, the electrical and thermal transport properties have been modeled by solving Boltzmann Transport Equation (BTE) for electrons and phonons, respectively, using the Monte Carlo (MC) technique. To solve BTE for the phonons, a coupled Molecular Mechanics-Monte Carlo approach is employed where phonon band-structure is obtained using the atomistic modified Valence Force Field (VFF) model and is coupled with a Monte Carlo Phonon Transport kernel which solves the BTE for phonons. The phonon-phonon scattering is modeled in relaxation time approximation (RTA) using Holland’s formalism. Diffusive boundary scattering for phonons has been modeled using the Beckmann-Kirchhoff (B-K) surface roughness scattering model taking into account the effects of phonon wavelength, incident angles and degree of surface roughness. The effect of rough surface on longitudinal acoustic (LA) and transverse acoustic (TA) phonon branches has been studied with the help of the B-K model and it has been found that, at elevated temperatures, there is less backscattering to the LA branch due to rough surface. Effort has been made then to couple the developed phonon Monte Carlo transport simulator with an electron Monte Carlo transport simulator to study the origin and effects of self-heating in a nanoscale field-effect transistor (FET). In contrast to the widely used continuum model, where Fourier heat diffusion equation is usually solved to describe the thermal transport, the simulator developed in this dissertation treats both the electrons and the phonons at the particle level. Acoustic and intervalley g and f type electron-phonon scattering mechanisms are considered and the resulting local temperature modification has been used to bridge the electron and phonon transport paths. Phonon transport at the oxide-silicon interface has been modeled using the Diffuse Mismatch (DM) model, whereas, the phonons in the oxide have been described using the Debye model and temperature and frequency dependent relaxation time. The simulator is then benchmarked and used to study the electron-phonon transport processes in a FinFET device with a gate length of 18 nm, channel width of 4 nm, and a fin height of 8 nm. Preliminary results show that there can be a current degradation of as high as ~9.56% due to self-heating effect. Also, temperature in the entire channel region could rise due to self-heating. The maximum temperature rise in the channel region is found to be ~30K.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(エネルギー科学) / 甲第18611号 / エネ博第307号 / 新制||エネ||63(附属図書館) / 31511 / 京都大学大学院エネルギー科学研究科エネルギー応用科学専攻 / (主査)教授 大垣 英明, 教授 白井 康之, 教授 松田 一成 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Energy Science / Kyoto University / DFAM

Inhalt der vorliegenden Dissertation ist die Untersuchung der elektronischen und magnetischen Eigenschaften der Schwerfermionensubstanz CeCu2. Dafür wurden makroskopische Messungen der Magnetisierung, der Suszeptibilität sowie der spezifischen Wärme aus der Literatur miteinander verglichen und eigenen Neutronenstreuexperimenten gegenübergestellt. Ein Teil der Arbeit widmet sich der Entwicklung des neuen Dreiachsenspektrometers PANDA am FRM2 München. Für dieses wurden umfangreiche Simulationen durchgeführt, um zukünftige Leistungsdaten zu spezifizieren. Mit dem Ray - Trace - Simulationspaket McStas wurde das Neutronenstreugerät modelliert und das Zusammenspiel der neutronenoptischen Bauelemente optimiert. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit Messungen und Rechnungen zum magnetischen Phasendiagramm von CeCu2. Dazu wurden eigene Messungen der Magnetisierung (VSM) und elastische Neutronenstreuexperimente (D23, ILL Grenoble) einer McPhase - Rechnung gegenübergestellt. Der nächste Abschnitt der Arbeit befasst sich mit elastischen und inelastischen Neutronenstreuexperimenten (IN12 & IN20, ILL Grenoble) an CeCu2 Einkristallen. Diese Messungen untersuchen die statischen (Struktur, Phasendiagramm) sowie dynamischen Eigenschaften (Anregungen) in dieser Substanz. Insbesondere beschäftigen sich diese Messungen mit den Dispersionsrelationen der Magnonen in hohen magnetischen Feldern bis zu mu0H = 12 Tesla. Für diese Experimente wurde eine neue Probenbox für den Einsatz in Hochfeldmagneten entwickelt, welche die Probe fixiert und in einer Schutzgasatmosphäre einschließt. In den Messungen wurde eine unerwartete, dispersionslose Anregung gefunden, welche mit dem derzeitigen Spinwellenmodell unverträglich ist. Bei Erhöhung des Magnetfeldes steigt die Anregungsenergie doppelt so schnell, wie von gewöhnlichen Magnonen erwartet wird. Zur Erklärung wird ein neutroneninduzierter pi/2 - Spinflop - Prozess vorgeschlagen. In einer anderen Messung wurde mit polarisierten Neutronen nach dem bisher indirekt nachgewiesenen, ersten angeregten Kristallfeldniveau bei 9 Millielektronenvolt gesucht. Bei wachsenden Temperaturen konnte kaum magnetische Streuintensität unterhalb 10 Millielektronenvolt gefunden werden. Jedoch wurde eine stark verbreiterte Intensität von 8 bis 15 Millielektronenvolt gemessen. Diese Energie korreliert mit dem Übergang zwischen den angeregten Kristallfeldniveaus. Als Ursache für die Verbreiterung wird eine Kristallfeld - Phonon - Wechselwirkung angegeben. Aus dem Vergleich der in verschiedenen Richtungen gemessenen magnetischen Streuintensitäten des 23 Millielectronvolt Kristallfeldüberganges können dessen Übergangsmatrixelemente abgeschätzt werden. Diese wurden den errechneten Werten der veröffentlichten Kristallfeldparametersätze gegenübergestellt. Es zeigte sich, dass die alten Parametersätze die neuen Messdaten nicht beschreiben können. Deshalb wurde ein neuer Satz aufgestellt, welcher erstmals sowohl die makroskopischen Messungen als auch die Neutronenstreuexperimente erklärt. / In this thesis, the electronic and magnetic properties of the heavy-fermion system CeCu2 are investigated. For that purpose, measurements of susceptibility, magnetisation and specific heat from literature are compared with each other and are compared with neutron-scattering experiments performed for the present work. One part of the thesis is addressed to the design of the new triple-axis spectrometer PANDA, which is situated at the research reactor FRM2 in Munich. Extensive simulations were performed with the ray - tracing simulation package McStas in order to model this neutron scattering instrument and to optimise its neutron optic elements. The second part of this work deals with measurements and calculations of the magnetic phase diagram of CeCu2. The experiments include the macroscopic magnetisation (VSM) and elastic neutron-scattering measurements (D23, ILL Grenoble). The McPhase calculations are in a good agreement with the experiments. The next part presents elastic and inelastic neutron-scattering experiments (IN12 & IN20, ILL Grenoble) at CeCu2 single crystals. These measurements investigate the static (phase diagram) as well as dynamic properties (excitations) of this compound. Especially, the experiments are concentrated on the investigation of the dispersion relation of magnons in magnetic fields up to mu0H = 12 tesla. For these measurements, a new sample holder suitable for use in high magnetic fields was designed, which fixes the sample in a hermetically sealed containment. In the experiments an unexpected dispersionless excitation was observed, which does not fit the standard magnon model. With increasing magnetic field the energy of this excitation increases with a slope of twice the value expected for regular magnons. A neutron - induced pi/2 spin - flop process is proposed to explain this excitation. In another measurement with polarised neutrons the first excited crystal - field level at 9 millielectronvolt, which has not been directly detected up to now, was investigated. With increasing temperature, only small magnetic scattering intensity occurs below 10 millielectronvolt. >From 8 to 15 millielectronvolt a broad signal was detected, which corresponds to the energy of the transition between the two excited levels. Due to a strong crystal field - phonon interaction, the width is unusually broadened. The transition matrix elements can be estimated from the comparison of the components of the magnetic scattering intensities of the 23 millielectronvolt crystal - field transition. These values were compared with the calculated values from published crystal-field parameter sets. The old sets cannot explain the new measurements. A new set was derived which accounts for the macroscopic measurements and for the neutron - scattering data, too.