Cette thèse est consacrée à l’étude de systèmes de particules modélisant des particules chargées en interaction, ou les valeurs propres de matrices aléatoires. On s’intéresse aux gaz de particules avec interaction logarithmique en dimension 1 et 2, et aux interactions de Coulomb/Riesz en dimension générale. On étudie leur comportement microscopique à travers un principe de grandes déviations satisfait par la loi des champs empiriques et gouverné par une fonctionnelle d’énergie libre qui met en évidence la dépendance en la température. Parmi les minimiseurs de cette énergie libre, on compte les processus ponctuels Sine-beta définis dans le contexte des matrices aléatoires. On démontre la convergence vers un processus de Poisson à haute température et, en dimension 1, on prouve la cristallisation du système dans la limite de basse température. Dans le cas des interactions logarithmiques en dimension 2, on montre une loi locale qui contrôle les fluctuations à toute échelle mésoscopique. On traite aussi le cas du gaz de Coulomb 2D avec des charges de signes opposés. / This thesis is devoted to the study of statistical physics systems which can represent charged interacting particles or eigenvalues of random matrices. We are interested in particle gases with logarithmic interaction in dimension 1 and 2 and with Coulomb/Riesz interactions in general dimension. We study the microscopic behavior by establishing a large deviation principle for the law of the empirical fields, governed by a free energy functional in which the temperature dependence appears. Minimizers of this free energy include the Sine-beta point processes defined in random matrix theory. We show the convergence to a Poisson point process at high temperature and in dimension 1 we prove crystallization in the zero temperature limit. For two-dimensional log-gases we establish a local law which bounds the fluctuations at any mesoscopic scale. We also treat the case of a 2D Coulomb gas with charges of opposite sign.

Many neutron rich nuclei are involved in the astrophysical r-process (rapid neutron capture process). The r-process forms an important path for heavy element nucleosynthesis and runs along the neutron drip line. Astrophysicists suggested core-collapse supernovae within a neutrino-driven wind scenario where the neutrino wind dissociates all previously formed elements into protons, neutrons and α particles, to be a possible astrophysical scenario for the r-process. Furthermore, reaction network calculations reported a high impact of light neutron rich nuclei to the r-process abundance. Reactions on these exotic nuclei can only be studied with radioactive ion beams as their half lifes, in the order of a few hundred milliseconds (T1/2,19N=330ms), are too low to fabricate target material out of them. Two examples of reactions along the path of the r-process are the 19N(n,γ)20N and the 20N(n, γ)21N reactions. Using 20N (resp. 21N) as a beam, these reactions were studied at the GSI Fragment Separator (FRS) in time-reversed conditions via Coulomb dissociation in the S393 experiment exploiting the virtual gamma field of a lead target. The experiment was performed at the LAND/R3B setup (Large Area Neutron Detector, Reactions with Relativistic Radioactive Beams) in a kinematically complete measurement, i.e., detecting all particles leaving the nuclear reaction. The neutrons flying at relativistic velocity were observed by the LAND detector, the calibration of which plays a crucial role for the present reaction. The Smiley effect, meaning that the measured energy of impinging particles in long scintillators is not independent of the hit position of the particle, has been investigated. It will be shown that reflections of the light traveling through the scintillator and the resulting longer path length of the light when not emitted directly towards the ends of the bar were identified to cause the Smiley effect. Gamma spectra in coincidence with outgoing 19N (resp. 20N) were generated. These fit well to recent publications and were utilized to separate transitions of the projectile nucleus into the ground state or first excited state of the ejectile nucleus. The Coulomb dissociation cross section was calculated for the total reaction, transitions into the ground state and the first excited state of the ejectile nucleus. Furthermore, excitation energy spectra were derived for both reactions separately for ground state transitions and for the dominating transitions into the first excited state. In order to facilitate future experiments on exotic nuclei, two detector solutions for the NeuLAND detector (the successor of LAND) were investigated. Utilizing minimum ionizing electrons of 30MeV at the ELBE facility, time resolutions and detection efficiencies were studied for an MRPC (Multi-gap Resistive Plate Chamber) based neutron detector with passive iron converters, on the one hand, and a pure scintillator based neutron ToF detector on the other hand. The ELBE data show good time resolutions (σt,electron < 120 ps) and detection efficiencies (ǫelectron > 90%) for both systems. Small MRPC prototypes were irradiated with 175MeV quasi-monochromatic neutrons at The Svedberg Laboratory (TSL) in Uppsala measuring efficiencies of ǫMRPC,neutron = 1.0%. It will be shown that MRPCs with passive steel converters may be included as neutron detectors in experiments where a lower multi-neutron capability than the one needed for NeuLAND is sufficient. / Viele neutronenreiche Kerne sind im schnellen Neutroneneinfangprozess (r-Prozess, engl. für rapid) involviert. Der r-Prozess bildet einen wichtigen Pfad für die Nukleosynthese schwerer Elemente und verläuft entlang der Neutronen-Dripline. Astrophysiker schlugen Kernkollaps-Supernovae innerhalb eines neutrinogetriebenen Windes als mögliches astrophysikalisches Szenario für den r-Prozess vor. Dabei werden alle zuvor gebildeten Elemente in Protonen, Neutronen und Alphapartikel dissoziiert. Außerdem ist von Berechnungen mit Reaktionsnetzwerken bekannt, dass leichte neutronenreiche Kerne einen hohen Einfluss auf die Elementverteilung des r-Prozesses haben. Reaktionen dieser exotischen Kerne können nur mit radioaktiven Ionenstrahlen studiert werden, da ihre Halbwertszeiten im Bereich von wenigen hundert Millisekunden (T1/2,19N=330ms) zu gering sind, um Probenmaterial daraus herzustellen. Zwei Beispiele solcher Reaktionen, die auf dem Pfad des r-Prozesses liegen, sind die 19N(n,γ)20N und die 20N(n,γ)21N Reaktionen. Unter Verwendung von 20N (bzw. 21N) als Strahl wurden diese Reaktionen am Fragment Separator (FRS) der GSI unter zeitumgekehrten Bedingungen mittels Coulomb-Aufbruch gemessen, indem das virtuelle Photonenfeld einer Bleiprobe ausgenutzt wurde. Das Experiment wurde am LAND/R3B Aufbau (Large Area Neutron Detector, Reactions with Relativistic Radioactive Beams) in einer kinematisch vollständigen Messung durchgeführt, d.h. alle ausgehenden Reaktionsprodukte wurden detektiert. Die relativistischen Neutronen wurden mit dem LAND-Detektor untersucht. Dessen Kalibration spielt eine wichtige Rolle für die hier analysierten Reaktionen. Dabei wurde der Smiley-Effekt studiert, welcher beinhaltet, dass die gemessene Energie von einfallenden Teilchen mittels langen Szintillatorstreifen nicht unabhängig von der Position ist, an der die Teilchen auf den Detektor treffen. Es wird gezeigt, dass Reflexionen des Lichtes beim Durchgang durch den Szintillator und die größere Weglänge, die das Licht zurücklegen muss, wenn es nicht direkt in Richtung der Enden des Szintillators emittiert wird, den Smiley-Effekt verursachen. Gamma-Spektren in Koinzidenz mit ausgehenden 19N (bzw. 20N) wurden gewonnen und stimmen gut mit früheren Veröffentlichungen überein. Diese Spektren wurden dazu verwendet, die Übergänge des Projektilkerns in den Grundzustand und den ersten angeregten Zustand des Ejektilkerns zu identifizieren. Die Wirkungsquerschnitte des Coulombaufbruchs der Projektilkerne und die Anregungsenergiespektren beider Reaktionen wurden berechnet und separiert in Übergänge in den Grundzustand und die dominierenden Übergänge in den ersten angeregten Zustand. Um künftige Experimente an exotischen Kernen zu ermöglichen, wurden zusätzlich zwei Detektorkonzepte für NeuLAND (Nachfolger von LAND) untersucht. Mit minimal ionisierenden Elektronen mit Energien von 30MeV aus dem Elektronenbeschleuniger ELBE wurden die Zeitauflösungen und Detektionseffizienzen zum einen für einen MRPC (Multi-gap Resistive Plate Chamber) basierenden Neutronendetektor mit passiven Stahlkonverter und zum anderen für einen reinen szintillatorbasierenden Neutronendetektor studiert. Die ELBE-Daten zeigen gute Zeitauflösungen (σt,electron < 120ps) und Detektionseffizienzen (ǫelectron > 90%) für beide Systeme. Kleine MRPC-Prototypen wurden mit quasi-monochromatischen Neutronen mit einer Energie von 175MeV am TSL (The Svedberg Laboratory) in Uppsala bestrahlt. Dabei wurden Effizienzen von ǫMRPC,neutron = 1.0% gemessen. Es wird gezeigt, dass MRPCs mit passiven Stahlkonvertern als Neutronendetektoren bei Experimenten, bei denen eine geringere Multineutronenfähigkeit als für NeuLAND ausreichend ist, eingesetzt werden können.

Doctor of Philosophy / Department of Physics / Igor V. Litvinyuk / The goal of this dissertation project was to study the dynamics of nuclear motion in diatomic (H[subscript]2, N[subscript]2, O[subscript]2, CO) and triatomic (CO[subscript]2) molecules initiated by the ionization and/or excitation of these molecules with near-IR few-cycle laser pulses. This dynamics includes vibrational and rotational motion on the electronic potential surfaces of the molecules and their molecular ions. The experimental techniques used included the pump-probe approach, laser Coulomb explosion imaging and the COLTRIMS technique. The results are presented in four chapters. A study of rotational and vibrational nuclear dynamics in H[subscript]2 and D[subscript]2 molecules and ions initiated by 8 fs near-IR pulses is presented in Chapter 4. Transient alignment of the neutral molecules was observed and simulated; rotational frequency components contributing to the rotational wavepacket dynamics were recovered. Chapter 5 is dedicated to revealing the contribution of excited dissociative states of D[subscript]2[superscript]+ ions to the process of fragmentation by electron recollision. It was shown that it is possible to isolate the process of resonant excitation and estimate the individual contributions of the [superscript]2sigma[subscript]u[superscript]+ and [superscript]2pi[subscript]u states. In Chapter 6 the subject of investigation is the nuclear dynamics of N[subscript]2, O[subscript]2 and CO molecules initiated by ionization of a neutral molecule by a short intense laser pulse. It was shown that the kinetic energy release of the Coulomb explosion fragments, measured as a function of the delay time between pump and probe pulses, reveals the behavior of nuclear wave packet evolution on electronic states of the molecular ions. It was shown that information on the dissociation and excitation pathways can be extracted from the experimental spectra and the relative contributions of particular electronic states can be estimated. Chapter 7 is focused on studying the fragmentation of CO[subscript]2 following the interaction of this molecule with the laser field. The most important result of this study was that it presented direct experimental evidence of charge-resonant enhanced ionization (CREI), a phenomenon well-studied for diatomic molecules and predicted theoretically for triatomic molecules. The critical internuclear distance, the relevant ionic charge state and a pair of charge-resonant states responsible for the CREI were also found.

Actuellement, plusieurs types de photodétecteurs sont disponibles sur le marché. Leurs performances se caractérisent notamment par la réponse spectrale, le courant d'obscurité, le rapport signal sur bruit, le rendement quantique et le temps de réponse. L'émergence de nouvelles applications nécessite des photodétecteurs de plus en plus sensibles, afin de pouvoir détecter de très faibles niveaux de radiation, voire de pouvoir compter des photons un par un. Ce travail de thèse s'intéresse aux moyens de réalisation de nanopixels pour la détection de faibles niveaux de lumière visible, en utilisant l'absorption dans des nanocristaux de silicium. Après avoir discuté de l'influence de la réduction des dimensions sur les propriétés électroniques et optiques du silicium, ainsi que de l'utilisation du blocage de Coulomb pour la photodétection, nous présentons un procédé de fabrication et d'isolation de nanopiliers contenant des nanocristaux de silicium dans une matrice d'oxyde de silicium. Les caractéristiques électriques des nanopixels intégrant ces nanocristaux ont permis de mettre en évidence les phénomènes de piégeage de charges dans les îlots, ainsi que leur contribution aux mécanismes de transport. Nous présentons finalement une première étude des propriétés électro-optiques des nanopixels qui ont été caractérisés par des mesures de photocourant.

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Synthesis and capture of antihydrogen in controlled laboratory conditions will enable precise studies of neutral antimatter. The work presented deals with some of the physics pertinent to manipulating charged antiparticles in order to create neutral antimatter, and may be applicable to other scenarios of plasma confinement and charged particle interaction. The topics covered include the electrostatic confinement of a reflecting ion beam and the transverse confinement of an ion beam in a purely electrostatic configuration; the charge sign effect on the Coulomb logarithm for a two component (e.g., antihydrogen) plasma in a Penning trap as well as the collisional scattering for binary Coulomb interactions that are cut off at a distance different than the Debye length; and the formation of magnetobound positronium and protonium.

This thesis presents an experimental study of the thermoelectrical properties of semiconductor quantum dots (QD). The measurements give information about the interplay between first order tunneling and macroscopic quantum tunneling transport effects in the presence of thermal gradients by the direct comparison of the thermoelectric response and the energy spectrum of the QD. The aim of the thesis is to contribute to the understanding of the charge and spin transport in few-electron quantum dots with respect to potential applications in future quantum computing devices. It also gives new insight into the field of low temperature thermoelectricity. The investigated QDs were defined electrostatically in a two dimensional electron gas (2DEG) formed with a GaAs/(Al,Ga)As heterostructure by means of metallic gate electrodes on top of the heterostructure. Negative voltages with respect to the potential of the 2DEG applied to the gate electrodes were used to deplete the electron gas below them and to form an isolated island of electron gas in the 2DEG which contains a few ten electrons. This QD was electrically connected to the 2DEG via two tunneling barriers. A special electron heating technique was used to create a temperature difference between the two connecting reservoirs across the QD. The resulting thermoelectric voltage was used to study the charge and spin transport processes with respect to the discrete energy spectrum and the magnetic properties of the QD. Such a two dimensional island usually exhibits a discrete energy spectrum, which is comparable to that of atoms. At temperatures below a few degrees Kelvin, the electrostatic charging energy of the QDs exceeds the thermal activation energy of the electrons in the leads, and the transport of electrons through the QD is dominated by electron-electron interaction effects. The measurements clarify the overall line shape of thermopower oscillations and the observed fine structure as well as additional spin effects in the thermoelectrical transport. The observations demonstrate that it is possible to control and optimize the strength and direction of the electronic heat flow on the scale of a single impurity and create spin-correlated thermoelectric transport in nanostructures, where the experimenter has a close control of the exact transport conditions. The results support the assumption that the performance of thermoelectric devices can be enhanced by the adjustment of the QD energy levels and by exploiting the properties of the spin-correlated charge transport via localized, spin-degenerate impurity states. Within this context, spin entropy has been identified as a driving force for the thermoelectric transport in the spin-correlated transport regime in addition to the kinetic contributions. Fundamental considerations, which are based on simple model assumptions, suggest that spin entropy plays an important role in the presence of charge valence fluctuations in the QD. The presented model gives an adequate starting point for future quantitative analysis of the thermoelectricity in the spin-correlated transport regime. These future studies might cover the physics in the limit of single electron QDs or the physics of more complex structures such as QD molecules as well as QD chains. In particular, it should be noted that the experimental investigations of the thermopower of few-electron QDs address questions concerning the entropy transport and entropy production with respect to single-bit information processing operations. These questions are of fundamental physical interest due to their close connection to the problem of minimal energy requirements in communication, and thus ultimately to the so called "Maxwell's demon" with respect to the second law of thermodynamics. / Diese Dissertation präsentiert eine experimentelle Studie über die thermoelektrischen Eigenschaften von Halbleiterquantenpunkten. Das thermoelektrische Verhalten der Quantenpunkte wird unter besonderer Berücksichtigung ihrer jeweiligen Energiespektren und magnetischen bzw Spin-Eigenschaften diskutiert. Die durchgeführten Messungen geben Aufschluss über das Zusammenspiel von Einzelelektronentunnelprozessen erster und höherer Ordnung unter dem Einfluss thermischer Gradienten. Somit trägt diese Dissertation zum Verständnis des Ladungs- und Spintransports in potentiellen, zukünftigen Bausteinen für die Quanteninformationsverarbeitung bei und ermöglicht neue Einblicke in das Themengebiet der Thermoelektrizität bei sehr tiefen Temperaturen. Die untersuchten Quantenpunkte wurden in einem zweidimensionalen Elektronengas (2DEG) mittels nanostrukturierter, metallischer "gates" erzeugt, die auf der Oberfläche einer GaAs/AlGaAs Heterostrukturoberfläche aufgebracht wurden. Durch das Anlegen negativer Spannungen in Bezug auf das Potential des 2DEGs, wurde das Elektronengas unter den gates verdrängt, so dass eine isolierte Insel entstand, die bis zu ca. 30 Elektronen zählte. Zwei Tunnelbarrieren dienten als elektrische Verbindung dieses Quantenpunkts zu den Zuleitungen. Unter Verwendung einer speziellen Stromheizungstechnik wurde eine Temperaturdifferenz zwischen den zwei Zuleitungsreservoirs über dem Quantenpunkt erzeugt. Die Untersuchung von Ladungs- und Spintransportprozessen erfolgte über den direkten Vergleich der resultierenden thermoelektrischen Spannung mit den jeweiligen Energiespektren der Quantenpunkte. Im Allgemeinen weist eine solche zweidimensionale Insel ein diskretes Energiespektrum auf, das vergleichbar mit dem einzelner Atome ist. Unterhalb einer Temperatur von wenigen Grad Kelvin, ist die elektrostatische Aufladungsenergie des Quantenpunkts größer als die thermische Anregungsenergie der Elektronen in den Zuleitungen. Als Folge bestimmen Elektron-Elektron-Wechselwirkungseffekte den Transport von Elektronen durch den Quantenpunkt. Die durchgeführten Messungen erklären den Verlauf der Thermokraft als Funktion des Quantenpunktpotentials einschließlich der aufgeprägten Feinstruktur sowie zusätzliche thermoelektrische Effekte, die von den Spin-Eigenschaften des Quantenpunkts hervorgerufen werden. Die Beobachtungen beweisen, dass es möglich ist Stärke und Richtung des elektronischen Wärmeflusses auf der Größenskala einzelner Verunreinigungen zu kontrollieren und gegebenenfalls zu optimieren sowie Spin-korrelierten thermoelektrischen Transport in künstlich hergestellten Nanostrukturen zu verwirklichen, welche eine gezielte Kontrolle der Transportbedingungen erlauben. Die Ergebnisse untermauern die Annahmen einer möglichen Verbesserung der Effizienz thermoelektrisch aktiver Materialien durch die Anpassung der energetischen Lage entsprechender Quantenpunktzustände und durch die Ausnutzung der thermoelektrischen Effekte im Spin-korrelierten Ladungstransport durch energetisch entartete, lokalisierte Zustände. In diesem Rahmen wurde erläutert, dass Spinentropie neben den kinetischen Beiträgen eine weitere treibende Kraft des thermoelektrischen Transports durch Quantenpunkte darstellt. Grundlegende Überlegungen, die auf einfachen Modellannahmen beruhen, lassen erwarten, dass die Beiträge der Spinentropie zum thermoelektischen Transport bei vorhandenen Fluktuationen der Anzahl der Ladungen auf dem Quantenpunkt eine signifikante Rolle spielen. Das vorgestellte Modell bietet hierzu einen geeigneten Ausgangspunkt für weitere quantitative Analysen der Thermoelektrizität im Spin-korrelierten Transportregime. Insbesondere sei darauf hingewiesen, dass die experimentelle Untersuchung der Thermokraft von Quantenpunktstrukturen, wie sie hier verwendet wurden, den Entropietransport und die Entropieerzeugung in Bezug zu Ein-Bit-Rechenoperationen setzen. Fragestellungen dieser Art sind von fundamentalem physikalischen Interesse aufgrund ihrer engen Verknüpfung mit der Frage nach dem minimalen Energieaufwand, der eine Kommunikation ermöglicht. Dieses Problem wird häufig mittels des so genannten Maxwell'schen Dämon diskutiert und hinterfragt in ihrem Ursprung den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik.

Four studies were considered to simulate the ion behavior in the auroral region and the polar wind. In study I, a Monte Carlo simulation was used to investigate the behavior of O+ ions that are E x B-drifting through a background of neutral O, with the effect of O+(Coulomb) self-collisions included. Wide ranges of the ion-to-neutral density ratio ni|nn and electrostatic field E were considered in order to investigate the change of ion behavior with respect to the solar cycle and altitude. For low altitudes and/or solar minimum (ni|nn≤10-5), the effect of self-collisions is negligible. For higher values of ni|nn, the effect of self-collisions becomes significant and, hence, the non-Maxwellian features of the O+ distributions are reduced. In study II, the steady-state flow of the polar wind protons through a background of O+ ions was studied. Special attention was given to using an accurate collision model. The Fokker-Planck expression was used to represent H+-O+ Coulomb collisions. The transition layer between the collision-dominated and the collision less regions plays a pivotal role in the behavior of the H+ flow. In the transition region, the shape of H+ distribution changes in a complicated manner from Maxwellian to "kidney bean". The flow also changes from subsonic to supersonic within the transition region. The heat fluxes of parallel and perpendicular energies change rapidly from their maximum (positive) to their minimum (negative) values within the same transition region. In study III, a Monte Carlo simulation was developed in order to study the effect of the wave-particle interactions (WPI) on O+ and H+ ions outflow in the polar wind. The simulation also considered the other mechanisms included in the classical polar wind studies such as gravity, polarization electrostatic field, and divergence of geomagnetic field lines. Also, an altitude dependent wave spectral density was adopted. The main conclusions are (I) the o+ velocity distribution develops conic features at high altitudes; (2) the O+ ions are preferentially energized; (3) the escape flux of O+ increased by a factor of 40, while the escape flux of H+ remained constant; (4) including the effect of a finite ion Larmor radius produced toroidal features for o+ and H+ distributions at higher altitudes. In study IV, a comparison between the effect of WPI on H+ and O+ ion outflow in the polar wind and in the auroral regions was studied. It was concluded that: (I) O+ is preferentially energized in both regions; (2) both ions (H+ and O+) are more energetic in the auroral region at most altitudes; (3) in the auroral region, the ion conics formed at lower altitudes, at 1.6 R, for O+ and 2.5 R, for H+, while in the polar wind H+ did not form conics and O+ formed conics at high altitudes; (4) the effects of body forces are more important in the polar wind than in the auroral region, and for O+ than H+.

Cette thèse porte sur l’étude du transport de charge et de spin dans les nanostructures 0D, 2D et les hétérostructures 2D-0D de Van der Waals (h-VdW). Les nanocristaux pérovskite de La0.67Sr0.33MnO3 ont révélé des magnétorésistances (MR) exceptionnelles à basse température résultant de l’aimantation de leur coquille indépendamment du coeur ferromagnétique. Les transistors à effet de champ à base de MoSe2 ont permis d’élucider les mécanismes d’injection de charge à l’interface metal/semiconducteur 2D. Une méthode de fabrication des h-VdW adaptés à l’électronique à un électron est rapportée et basée sur la croissance d’amas d’Al auto-organisés à la surface du graphene et du MoS2. La transparence des matériaux 2D au champ électrique permet de moduler efficacement l’état électrique des amas par la tension de grille arrière donnant lieu aux fonctionnalités de logique à un électron. Les dispositifs à base de graphene présentent des MR attribuées aux effets magnéto-Coulomb anisotropiques. / This thesis investigates the charge and spin transport processes in 0D, 2D nanostructures and 2D-0D Van der Waals heterostructures (VdWh). The La0.67Sr0.33MnO3 perovskite nanocrystals reveal exceptional magnetoresistances (MR) at low temperature driven by their paramagnetic shell magnetization independently of their ferromagnetic core. A detailed study of MoSe2 field effect transistors enables to elucidate a complete map of the charge injection mechanisms at the metal/MoSe2 interface. An alternative approach is reported for fabricating 2D-0D VdWh suitable for single electron electronics involving the growth of self-assembled Al nanoclusters over the graphene and MoS2 surfaces. The transparency the 2D materials to the vertical electric field enables efficient modulation of the electric state of the supported Al clusters resulting to single electron logic functionalities. The devices consisting of graphene exhibit MR attributed to the magneto-Coulomb effect.