Depuis plus d'un siècle, la chimie des organoboranes a intéressé considérablement les chimistes. En revanche, la réactivité élémentaire du bore atomique est un domaine de recherche relativement vierge. Dans un premier temps, nous avons participé aux travaux de caractérisation des produits isolés en matrice d'argon pour les réactions du bore avec l'éthylène et l'éthane. Les propriétés structurales, spectrales et énergétiques d'une série d'espèces BC2Hn (n = 3, 4, 5) ont été déterminées à l'aide de méthodes ab initio et DFT. La comparaison des spectres infrarouges expérimentaux à ceux prédits par le calcul a permis d'identifier plusieurs nouveaux organoboranes simples. Afin de mieux comprendre la réactivité du bore, nous nous sommes ensuite intéressés à<br />la détermination des mécanismes réactionnels mis en jeu. Avec l'étude de la réaction B + H2O, nous avons développé et testé une stratégie de calcul, couplant méthodes ab initio et DFT, destinée à l'étude de mécanismes réactionnels. Ces travaux ont de plus démontré l'existence d'une petite barrière d'activation pour la réaction cohérente avec la constante de vitesse mesurée et nous proposons un mécanisme pour la formation de BO (A 2Pi) jusqu'alors non rationalisée. Enfin, la méthodologie précédente a été utilisée pour déterminer le mécanisme des<br />réactions bore-acétylène et bore-éthylène. Cette étude réalisée en parallèle à des expériences de jets croisés, a permis d'identifier sans ambiguïté le produit formé dans ces conditions par chacune de ces réactions, respectivement HBCC et la molécule aromatique borirène (c-HBC2H2). Ce travail a également montré que les<br />deux réactions peuvent avoir lieu spontanément si elles débutent par l'addition du bore sur la liaison pi CC. S'agissant de la réaction bore-éthylène, les calculs prédisent plusieurs processus susceptibles de concurrencer la formation du borirène.

Deux modèles sont développés afin d'interpréter la physico-chimie des ions organométalliques en phase gazeuse.<br /><br /> Les surfaces de potentiel associées à la réactivité sont modélisées dans le cadre de la théorie des hamiltoniens effectifs, et l'on s'intéresse plus particulièrement à l'addition oxydante d'un ion LnM+ sur une liaison H-H. L'idée est de bâtir un hamiltonien effectif associé aux électrons actifs, c'est-à-dire à l'insertion de M+ dans la liaison H-H, puis d'utiliser une approche de type champ de ligands pour traiter l'effet des ligands spectateurs (Ln). L'originalité de l'approche réside surtout dans la construction du hamiltonien effectif associé à M+ + H-H. Il est bâti à partir de potentiels à deux corps associés à M+-H et H-H, dérivés de calculs ab initio sur les états électroniques de valence de ces fragments. En utilisant une correction appropriée pour les termes à trois corps, notre modèle localise correctement les points stationnaires de M+ + H2, et la précision sur leurs énergies relatives est de l'ordre de 20 kJ/mol.<br /><br /> La seconde partie porte sur le développement d'un modèle cinétique pour interpréter l'efficacité de fragmentation d'ion induite par une absorption multiphotonique infrarouge en phase gazeuse, phénomène exploité pour obtenir le spectre IR d'ions formés en spectrométrie de masse. Les paramètres de notre modèle sont associés à la focalisation et à la structure temporelle du laser, ainsi qu'à la trajectoire et aux paramètres physico-chimiques des ions. La très bonne simulation de plusieurs expériences permet de mieux comprendre les phénomènes observés et constituera un guide précieux pour les prochaines campagnes d'expériences.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Physique. Lasers, molécules, rayonnement atmosphérique : Lille 1 : 2006. / N° d'ordre (Lille 1) : 3788. Titre provenant de la page de titre du document numérisé. Bibliogr. à la suite de chaque partie.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Sciences des matériaux : Lille 1 : 2006. / N° d'ordre (Lille 1) : 3925. Articles en anglais reproduits dans le texte. Résumé en français et en anglais. Titre provenant de la page de titre du document numérisé. Bibliogr. à la suite de chaque chapitre.

Ce travail présente une synthèse des activités de recherche effectuées pendant mon stage post-doctoral à l'Université de Liège (Belgique) et depuis ma nomination en tant que Maître de Conférences à l'Université Lille1. La thèmatique générale est l'application des méthodes de la chimie quantique, essentiellement les techniques d'interactions de configurations et de perturbation, à l'étude des états électroniques excités - notamment avec un rayonnement synchroron - de molécules en phase gazeuse. Dans certains cas, la structure vibrationnelle a aussi été modélisée. Ces travaux se caractérisent par une forte interaction avec des groupes d'expérimentateurs européens (Danemark, Belgique, France, Grande-Bretagne, Serbie), en particulier dans le cadre des programmes européens "RADAM" (Radiation Damage in Biomolecular Systems) et "EIPAM" (Electron Induced Processing At the Molecular Level). Ils s'articulent en trois thèmes : a) Structure et fragmentation de molécules doublement ionisées (dications) Les dications sont métastables avant que la répulsion coulombienne ne les dissocie. Dans les cas de C2H2++ et CH3Cl++, les calculs expliquent quantitativement la présence des fragments observés, en particulier la paire C+/CH2+ provenant d'une isomérisation préalable de C2H2++. b) Spectroscopie en couches de valence (UV et ionisation) Que ce soit pour des molécules d'intérêt atmosphérique (c-C4F8, c-C5F8) ou biologique (tétrahydrofurane, isoprène, limonène, acides gras), la taille du système ne permet pas l'usage des méthodes multiconfigurationnelles. Les seules alternatives sont la fonctionnelle de densité (TD-DFT) ou les techniques "Coupled Cluster". c) Spectroscopie en couches internes Du fait de la nature très excitée des états à calculer, les techniques standard ne sont pas applicables. Nous avons mis au point un protocole qui permet de calculer les spectres en couche K d'atomes légers (C, N, O) avec une excellente précision, y compris pour les états doublement excités. Cela nous a permis d'interpréter ou de ré-interpréter les spectres de molécules organiques telles que des dérivés du benzène (azobenzènes), des furanes, du cyclopropane et plus récemment des acides acétique et propynoïque. Nous envisageons d'appliquer cette méthode à des complexes d'actinides (par exemple UCl62-) au seuil 1s du chlore.

Dans cette thèse, on étudie plusieurs modèles et problèmes issus de la mécanique quantique. Ces modèles interviennent naturellement en chimie quantique pour le calcul de la structure électronique de la matière. Ils présentent des difficultés théoriques liées aux problèmes d'existence de solutions et à leur calcul numérique. Cette thèse est une contribution à l'étude de ces problèmes.

Les descriptions des interactions faibles et notamment de la dispersion représentent un problème majeur pour la théorie de la fonctionnelle de la densité. En effet, le caractère fortement local des fonctionnelles rend problématique la description des interactions à longue-portée. Aussi, plusieurs stratégies sont envisagées: des corrections des fonctionnelles existantes ou une introduction de méthodes post-Hartree-Fock par séparation de portée. Des résultats dans les deux cas sont exposés. Tout d'abord, la méthodologie hybride est appliquée à des dimères de métaux de transition (Cr2, Mn2 et Zn2). Ensuite, le calcul de coefficients de corrections pour la dispersion dans un cadre relativiste est présenté. Enfin, les interactions faibles peuvent également résulter de l'interaction d'une molécule avec un champ magnétique. Dans ce cadre, une modélisation de la modification de la densité électronique dans les systèmes aromatiques sous l'influence d'un champ magnétique extérieur est présentée.

Ce travail avait pour ambition de caractériser deux processus collisionnels différents impliquant des paires d'ions. Ces derniers, que ce soit sous forme de cations ou sous forme d'anions, ont une importance majeure pour l'astrochimie. Ainsi, il est vital de pouvoir fournir des données théoriques ou expérimentales sur les processus conduisant tant à la formation qu'à la consommation de ces ions. Le premier processus que nous avons étudié, nommé la dissociation en paires d'ions, conduit à la formation d'ions secondaires. Nous avons caractérisé ce processus tant théoriquement qu'expérimentalement. Ainsi, au moyen de collisions à haute vitesse entre un jet d'atomes d'hélium et un faisceau d'agrégats carbonés neutres ou ionisés, nous avons obtenu les différents rapports de branchements et sections efficaces concernant la dissociation en paires d'ions de ces composés de tailles n et de charges q variées. Grâce à ce travail, qui a permis d'effectuer une étude expérimentale sur l'influence de ces deux paramètres, nous avons ainsi montré que la dissociation en paires d'ions est toujours présente, quelle que soit la taille ou la charge du composé étudié. Dans le but de décrire la dissociation en paires d'ions au moyen de méthodes ab initio, nous avons également calculé les courbes d'énergies potentielles relatives aux états très excités de l'ion moléculaire C_2+. Sur base de l'analyse de population de Mulliken des fonctions d'onde relatives à ces états moléculaires, nous avons ainsi pu mettre en évidence le canal ionique impliqué dans la dissociation en paires d'ions de C_2+, via une méthodologie purement ab initio. Nous avons également calculé les taux théoriques de dissociation en paires d'ions pour les molécules C_2+ et C_3+, au moyen d'un modèle statistique basé sur le nombre de limites de dissociation et d'états moléculaires s'y corrélant. Nous avons ainsi pu comparer les données expérimentales et théoriques pour ces deux systèmes et avons montré que ce modèle, malgré de nombreuses hypothèses, permet de prédire le comportement relatif de la dissociation en paires d'ions au sein de ces composés. Le second processus que nous avons caractérisé est la neutralisation mutuelle d'ions atomiques de charges opposées conduisant ainsi à la consommation de ces ions. Nous avons étudié ce processus au sein des systèmes Li+/H-, Li+/D-, O+/O- et N+/O-, à la fois d'un point de vue théorique mais également expérimental. Ainsi, en utilisant un dispositif de faisceaux confluents, nous avons pu mesurer les sections efficaces totales de neutralisation mutuelle pour ces différents systèmes, à des énergies de collisions inférieures à 1 eV. Nous avons également pu obtenir les différents rapports de branchements associés à chacun des états atomiques peuplés au sein de ces systèmes lors de la neutralisation mutuelle. De manière assez surprenante, les mesures obtenues pour les collisions N+/O- ont permis de mettre en évidence une contribution importante d'un état atomique impliquant un processus à deux électrons. Nous avons caractérisé la neutralisation mutuelle au sein de ces quatre systèmes via différentes méthodes théoriques. Ainsi, nous avons utilisé des méthodes ab initio afin de calculer les courbes d'énergies potentielles et les éléments de couplages non-adiabatiques radiaux impliqués dans les systèmes Li+/H- et Li+/D-, en utilisant et en optimisant différentes bases de calculs ab initio. Au moyen d'une méthodologie Landau-Zener multivoies, nous avons ensuite pu mettre en évidence l'influence de ces bases de calculs sur les différentes sections efficaces totales et les rapports de branchements en découlant, tout en comparant les résultats théoriques aux données expérimentales. Dès lors, nous avons pu montrer que les éléments théoriques clés pour la bonne description de la neutralisation mutuelle Li+/H- et Li+/D- sont l'obligation d'utiliser les éléments de couplages non-adiabatiques radiaux ainsi que la description adéquate des croisements évités entre les états moléculaires. Pour des systèmes complexes tels que N+/O- et O+/O-, les méthodes ab initio habituelles ne peuvent être utilisées vu le nombre conséquent d'états moléculaires à prendre en compte afin de décrire la neutralisation mutuelle au sein de ces systèmes. Cependant, nous avons pu obtenir les sections efficaces totales et rapports de branchements théoriques pour ces deux systèmes en utilisant une méthode asymptotique à un électron afin d'obtenir les couplages impliqués dans la neutralisation mutuelle de ces systèmes. Ces couplages ont ensuite été utilisés dans une méthodologie Landau-Zener multivoies afin d'obtenir les sections efficaces totales et rapports de branchements, malgré la complexité de la description théorique de la neutralisation mutuelle O+/O- et N+/O- Dans ce dernier système, nous avons également utilisé des calculs purement atomiques afin de tenir compte du processus à deux électrons, mis en évidence par les résultats expérimentaux. Ainsi, nous avons pu montrer que les sections efficaces et rapports de branchements prédits sont en assez bon accord avec les résultats expérimentaux obtenus au moyen du dispositif expérimental de faisceaux confluents. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

A l'échelle atomique, les outils de modélisation interactive sont de plus en plus nécessaires. Cependant, résoudre les équations de la physique sous-jacente en temps interactif est un défi numérique difficile. Dans cette dissertation, nous proposons des nouveaux algorithmes qui permettent la modélisation interactive de structures chimiques. Tout d'abord, nous présentons un outil de modélisation pour construire des modèles structuraux de systèmes hydrocarbonés. Les retours physiques sont basés sur le potentiel de Brenner. Pour obtenir des taux interactifs lors de l'édition de systèmes contenant un grand nombre d'atomes, nous introduisons un nouvel algorithme adaptatif. Ensuite, nous introduisons ce que nous pensons être le premier algorithme de chimie quantique interactif au niveau de théorie “Atom Superposition and Electron Delocalization Molecular Orbital”. Cette méthode est basée sur une approche diviser-pour-régner qui, comme nous le montrons, est précise et efficace pour cette théorie semi-empirique non auto-cohérente. Nous proposons ensuite une nouvelle approche pour la chimie quantique interactive : “Block-Adaptive Quantum Mechanics” (BAQM). BAQM contraint la position des noyaux et les degrés de liberté électronique à la volée pour simplifier la simulation. Finalement, nous présentons plusieurs applications : une étude de la formation du graphane, la simulation interactive à des fins pédagogiques, et le prototypage virtuel à l'échelle atomique, à la fois sur des ordinateurs de bureau et dans des environnements de réalité virtuelle. / At the atomic scale, interactive physically-based modeling tools are more and more in demand. Unfortunately, solving the underlying physics equations at interactive rates is computationally challenging. In this dissertation, we propose new algorithms that allow for interactive modeling of chemical structures. We first present a modeling tool to construct structural models of hydrocarbon systems. The physically-based feedbacks are based on the Brenner potential. In order to be able to interactively edit systems containing numerous atoms, we introduce a new adaptive simulation algorithm. Then, we introduce what we believe to be the first interactive quantum chemistry simulation algorithm at the Atom Superposition and Electron Delocalization Molecular Orbital (ASED-MO) level of theory. This method is based on the divide-and-conquer (D&C) approach, which we show is accurate and efficient for this non-self-consistent semi-empirical theory. We then propose a novel Block-Adaptive Quantum Mechanics (BAQM) approach to interactive quantum chemistry. BAQM constrains some nuclei positions and some electronic degrees of freedom on the fly to simplify the simulation. 
 Finally, we demonstrate several applications, including one study of graphane formation, interactive simulation for education purposes, and virtual prototyping at the atomic scale, both on desktop computers and in virtual reality environments.

Quantum optimal control theory is applied to find optimal pulses for controlling the motion of an ion and a molecule for two different applications. Those optimal pulses enable the control of the dynamics of the system by driving the atom or the molecule from an initial state to desired states.The evolution equations obtained by means of the quantum optimal control theory are resolved iteratively using a monotonic convergent algorithm. A number of simulation parameters are varied in order to get the optimal pulses including the duration of the pulses, the time step of the time grid, a penalty factor that limits the maximal intensity of the fields, and a guess pulse which is used to start the optimal control.The optimal pulses obtained for each application are analyzed by Fourier transform, and also by looking at the time evolution of the populations that they generate in the system.The first application is the preparation of specific vibrational states of acetylene that are usually not reachable from the ground state, and that would remain unpopulated by usual spectroscopy. Relevant state energies and transition dipole moments are extracted from the experimental literature and especially from the global acetylene Hamiltonian conferring an uncommon precision to the control simulation. The control starts from the ground state. The target states belongs to the polyad Ns=1, Nr=5 of acetylene which includes two vibrational dark states and one vibrational bright state. First, the simulation is performed with the Schrödinger equation and in a second step, with the Liouville--von Neumann equation, as mixed states are prepared. Indeed, the control starts from a Boltzmann distribution of population in the rotational levels of the vibrational ground state chosen in order to simulate an experimental condition. But the distribution is truncated to limit the computational effort. One of the dark states appears to be a potential target for a realistic experimental investigation because the average population of the Rabi oscillation remains high and decoherence is expected to be weak. The optimal pulses obtained have a high fidelity, have a spectrum with well-resolved peak frequencies, and their experimental feasibility seems achievable within the current abilities of experimental laboratories.The second application is to propose an experimental realization of a microscopic physical device able to simulate quantum dynamics. The idea is to use the motional states of a Cd^+ ion trapped in an anharmonic potential to realize a quantum dynamics simulator of a single-particle Schrödinger equation. In this way, the motional states store the information and the optimal pulse manipulates this information to realize operations. In the present case, the simulated dynamics was the propagation of a wave packet in a harmonic potential. Starting from an initial quantum state, the pulse acts on the system to modify the motional states of the ion in such a way that the final superposition of motional states corresponds to the results of the dynamics. This simulation is performed with the Liouville--von Neumann equation and also with the Lindblad equation as dissipation is included to test the robustness of the pulse against perturbations of the potential. The optimal pulses that are obtained have a high fidelity which shows that the ion trap system has correctly realized the quantum dynamics simulation. The optimal pulses are valid for any initial condition if the potential of the simulation or the mass of the propagated wave packet is unchanged. / La théorie du contrôle optimal quantique est utilisée pour trouver des impulsions optimales permettant de contrôler la dynamique d'un atome et d'une molécule les menant d'un état initial à un état final. Les équations d'évolution obtenues grâce au contrôle optimal limitent l'intensité maximale de l'impulsion et sont résolues itérativement grâce à l'algorithme de Zhu--Rabitz. Le contrôle optimal est utilisé pour réaliser deux objectifs. Le premier est la préparation d'états vibrationnels de l'acétylène qui sont généralement inaccessibles par transition au départ de l'état vibrationnel fondamental. Ces états, appelés états sombres, sont les états cibles de la simulation. Ils appartiennent à la polyade Ns=1, Nr=5 de l'acétylène qui en contient deux ainsi qu'un état, dit brillant, qui lui est accessible depuis l'état fondamental. Les énergies des états du système et les moments de transitions dipolaires sont déterminés à partir d'un Hamiltonien très précis qui confère une précision inhabituelle à la simulation. Un des états sombres apparaît être un candidat potentiel pour une réalisation expérimentale car la population moyenne de cet état reste élevée après l'application de l'impulsion.Les niveaux rotationnels des états vibrationnels sont également pris en compte.Les impulsions optimales obtenues ont une fidélité élevée et leur spectre en fréquence présente des pics résolus.Le deuxième objectif est de proposer la réalisation expérimentale d'un dispositif microscopique capable de simuler une dynamique quantique. Ce travail montre qu'on peut utiliser les états de mouvement d'un ion de Cd^+ piégé dans un potentiel anharmonique pour réaliser la propagation d'un paquet d'onde dans un potentiel harmonique. Ce dispositif stocke l'information de la dynamique simulée grâce aux états de mouvements et l'impulsion optimale manipule l'information pour réaliser les propagations. En effet, démarrant d'un état quantique initial, l'impulsion agit sur le système en modifiant les états de mouvements de l'ion de telle sorte que la superposition finale des états de mouvements corresponde aux résultats de la dynamique. De la dissipation est incluse pour tester la robustesse de l'impulsion face à des perturbations du potentiel anharmonique. Les impulsions optimales obtenues ont une fidélité élevée ce qui montre que le système a correctement réalisé la simulation de dynamique quantique. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished