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<p>Among computational electromagnetic methods, Integral Equation (IE) solvers have a great capability in solving open-region problems such as scattering and radiation, due to no truncation boundary condition required. Volume Integral Equation (VIE) solvers are especially capable of handling arbitrarily shaped geometries and inhomogeneous materials. However, the numerical system resulting from a VIE analysis is a dense system, having $N^2$ nonzero elements for a problem of $ N $ unknowns. The dense numerical system in conjunction with the large number of unknowns resulting from a volume discretization prevents a practical use of the VIE for solving large-scale problems.</p> <p>In this work, two fast algorithms of $ O(N \log N) $ complexity to generate an rank-minimized $ H^2 $-representation for electrically large VIEs are developed. The algorithms systematically compress the off-diagonal admissible blocks of full VIE matrix into low-rank forms of total storage of $O(N)$. Both algorithms are based on nested cross approximation, which are purely algebraic. The first one is a two-stage algorithm. The second one is optimized to only use one-stage, and has a significant speedup. Numerical experiments on electrically large examples with over 33 million unknowns demonstrate the efficiency and accuracy of the proposed algorithms. </p> <p>Important applications of VIEs in thermal and quantum engineering have also been explored in this work. Creating spin(circularly)-polarized infrared thermal radiation source without an external magnetic field is important in science and engineering. Here we study two materials, magnetic Weyl semimetals and manganese-bismuth(MnBi), which both have permittivity tensors of large gyrotropy, and can emit circularly-polarized thermal radiations without an external magnetic field. We also design symmetry-broken metasurfaces, which show strong circularly-polarized radiations in simulations and experiments. In spin qubit quantum computing systems, metallic gates and antennas are necessary for quantum gate operations. But their existence greatly enhances evanescent wave Johnson noise (EWJN), which induces the decay of spin qubits and limits the quantum gate operation fidelity. Here we first use VIE to accurately simulate realistic quantum gate designs and quantify the influence on gate fidelity due to this noise.</p>

A l’heure actuelle, les biocarburants renouvelables et qui ne nuit pas à l'environnement sont à l'étude intensive en raison de l'augmentation des problèmes de santé et de la diminution des combustibles fossiles. H2 est l'un des candidats les plus prometteurs en raison de ses caractéristiques uniques, telles que la densité d'énergie élevée et la génération faible ou inexistante de polluants. Une façon attrayante pour produire la H2 est par les bactéries photosynthétiques qui peuvent capter l'énergie lumineuse pour actionner la production H2 avec leur système de nitrogénase. L'objectif principal de cette étude était d'améliorer le rendement de H2 des bactéries photosynthétiques pourpres non sulfureuses utilisant une combinaison de génie métabolique et le plan des expériences. Une hypothèse est que le rendement en H2 pourrait être améliorée par la redirection de flux de cycle du Calvin-Benson-Bassham envers du système de nitrogénase qui catalyse la réduction des protons en H2. Ainsi, un PRK, phosphoribulose kinase, mutant « knock-out » de Rhodobacter capsulatus JP91 a été créé. L’analyse de la croissance sur des différentes sources de carbone a montré que ce mutant ne peut croître qu’avec l’acétate, sans toutefois produire d' H2. Un mutant spontané, YL1, a été récupéré qui a retenu l'cbbP (codant pour PRK) mutation d'origine, mais qui avait acquis la capacité de se développer sur le glucose et produire H2. Une étude de la production H2 sous différents niveaux d'éclairage a montré que le rendement d’YL1 était de 20-40% supérieure à la souche type sauvage JP91. Cependant, il n'y avait pas d'amélioration notable du taux de production de H2. Une étude cinétique a montré que la croissance et la production d'hydrogène sont fortement liées avec des électrons à partir du glucose principalement dirigés vers la production de H2 et la formation de la biomasse. Sous des intensités lumineuses faibles à intermédiaires, la production d'acides organiques est importante, ce qui suggère une nouvelle amélioration additionnel du rendement H2 pourrait être possible grâce à l'optimisation des processus. Dans une série d'expériences associées, un autre mutant spontané, YL2, qui a un phénotype similaire à YL1, a été testé pour la croissance dans un milieu contenant de l'ammonium. Les résultats ont montré que YL2 ne peut croître que avec de l'acétate comme source de carbone, encore une fois, sans produire de H2. Une incubation prolongée dans les milieux qui ne supportent pas la croissance de YL2 a permis l'isolement de deux mutants spontanés secondaires intéressants, YL3 et YL4. L'analyse par empreint du pied Western a montré que les deux souches ont, dans une gamme de concentrations d'ammonium, l'expression constitutive de la nitrogénase. Les génomes d’YL2, YL3 et YL4 ont été séquencés afin de trouver les mutations responsables de ce phénomène. Fait intéressant, les mutations de nifA1 et nifA2 ont été trouvés dans les deux YL3 et YL4. Il est probable qu'un changement conformationnel de NifA modifie l'interaction protéine-protéine entre NifA et PII protéines (telles que GlnB ou GlnK), lui permettant d'échapper à la régulation par l'ammonium, et donc d'être capable d'activer la transcription de la nitrogénase en présence d'ammonium. On ignore comment le nitrogénase synthétisé est capable de maintenir son activité parce qu’en théorie, il devrait également être soumis à une régulation post-traductionnelle par ammonium. Une autre preuve pourrait être obtenue par l'étude du transcriptome d’YL3 et YL4. Une première étude sur la production d’ H2 par YL3 et YL4 ont montré qu'ils sont capables d’une beaucoup plus grande production d'hydrogène que JP91 en milieu d'ammonium, qui ouvre la porte pour les études futures avec ces souches en utilisant des déchets contenant de l'ammonium en tant que substrats. Enfin, le reformage biologique de l'éthanol à H2 avec la bactérie photosynthétique, Rhodopseudomonas palustris CGA009 a été examiné. La production d'éthanol avec fermentation utilisant des ressources renouvelables microbiennes a été traitée comme une technique mature. Cependant, la plupart des études du reformage de l'éthanol à H2 se sont concentrés sur le reformage chimique à la vapeur, ce qui nécessite généralement une haute charge énergetique et résultats dans les émissions de gaz toxiques. Ainsi le reformage biologique de l'éthanol à H2 avec des bactéries photosynthétiques, qui peuvent capturer la lumière pour répondre aux besoins énergétiques de cette réaction, semble d’être plus prometteuse. Une étude précédente a démontré la production d'hydrogène à partir d'éthanol, toutefois, le rendement ou la durée de cette réaction n'a pas été examiné. Une analyse RSM (méthode de surface de réponse) a été réalisée dans laquelle les concentrations de trois facteurs principaux, l'intensité lumineuse, de l'éthanol et du glutamate ont été variés. Nos résultats ont montré que près de 2 moles de H2 peuvent être obtenus à partir d'une mole d'éthanol, 33% de ce qui est théoriquement possible. / Currently, renewable and environmentally friendly biofuels are under intensive study due to increasing health concerns and diminishing fossil fuels. H2 is one of the most promising candidates due to its unique characteristics, such as a high energy density and low to non-existent generation of pollutants. One attractive way to produce H2 is through photosynthetic bacteria which can capture light energy to drive H2 production with their nitrogenase system. The major aim of this study was to improve H2 yield of the purple non-sulfur photosynthetic bacteria using a combination of metabolic engineering and design of experiments. One hypothesis was that H2 yield could be improved by redirection of Calvin-Benson-Bassham cycle flux to the nitrogenase system which catalyzes the reduction of protons to H2. Thus, a PRK, phosphoribulose kinase, knock out mutant of Rhodobacter capsulatus JP91 was created. Analysis of growth with different carbon sources showed that this mutant could only grow in acetate medium without, however, producing any H2. A spontaneous mutant, YL1, was recovered which retained the original cbbP (encoding PRK) mutation, but which had gained the ability to grow on glucose and produce H2. A study of H2 production under different illumination levels showed that the yield of YL1 was 20-40% greater than the wild type JP91 strain. However, there was no appreciable improvement of the H2 production rate. A kinetic study showed that growth and hydrogen production are strongly linked with electrons from glucose being mostly directed to H2 production and biomass formation. Under low to intermediate light intensities, the production of organic acids was significant, suggesting further improvement of H2 yield is possible by process optimization. In a related series of experiments, another spontaneous mutant, YL2, which has a similar phenotype to YL1, was tested for growth in ammonium-containing media. The results showed that YL2 could only grow with acetate as carbon source, again, without producing any H2. Prolonged incubation in media not supporting growth of YL2 enabled the isolation of two interesting secondary spontaneous mutants, YL3 and YL4. Western blot analysis showed that both strains had constitutive nitrogenase expression under a range of ammonium concentrations. The genomes of YL2, YL3 and YL4 were sequenced in order to find the mutations responsible for this phenomenon. Interestingly, mutations of nifA1 and nifA2 were found in both YL3 and YL4. It is likely that a conformational change of NifA alters the protein-protein interaction between NifA and PII proteins (such as GlnB or GlnK), enabling it to escape regulation by ammonium and thus to be capable of activating nitrogenase transcription in the presence of ammonium. It is not clear how the synthesized nitrogenase is able to maintain its activity since in theory it should also be subject to posttranslational regulation by ammonium. Further evidence could be obtained by studying the transcriptome of YL3 and YL4. An initial study of H2 production by YL3 and YL4 showed that they are capable of much greater hydrogen production than JP91 in ammonium medium, which opens the door for future studies with these strains using ammonium-containing wastes as substrates. Finally, the biological reformation of ethanol to H2 with the photosynthetic bacterium, Rhodopseudomonas palustris CGA009 was examined. Ethanol production with microbial fermentation using renewable resources has been treated as a mature technique. However, most studies of the reformation of ethanol to H2 have focused on chemical steam reforming, which usually requires a high energy input and results in toxic gas emission. Thus biological reformation of ethanol to H2 with photosynthetic bacteria, which can capture light to meet the energy requirement of this reaction, seems to be more promising. A previous study had demonstrated hydrogen production from ethanol, however, the yield or the duration of this reaction were not examined. A RSM (response surface methodology) analysis was carried out in which three key factors, light intensity, ethanol and glutamate concentrations were varied. Our results showed that nearly 2 moles of H2 could be obtained from one mole of ethanol, 33% of what is theoretically possible.

Cette thèse a permis de mettre en évidence les mécanismes de vieillissement de la pile à combustible de type PEM lors de cyclages d'humidité de l'air et suite à la perforation de l'AME (Assemblage Membrane Electrodes). Premièrement, les mécanismes connus de dégradation des divers composants (membrane, catalyseur, support du catalyseur, GDL, plaques bipolaires et joints d'étanchéité) ont été présentés. Ensuite, les outils de diagnostic en-ligne (chronopotentiométrie, spectroscopie d'impédance, gestion de l'eau et analyse chimique de l'eau) et ceux hors-ligne (CV et LSV) ainsi que des analyses post-mortem (RMN, MET, MEB et DRX) ont été décrits. Expérimentalement, le cyclage en humidité de l'air a été effectué en mono-cellule de 25 cm2: le cyclage à forte humidité entraîne une perte significative de la surface électroactive du catalyseur; le cyclage à faible humidité favorise la perméation de l'hydrogène à travers la membrane. Le cyclage à faible humidité réalisé sur une pile de 100 cm2 a montré un mécanisme de dégradation différent de celui de la pile de 25 cm2: la perméation de l'hydrogène reste faible alors que la tension de la pile était de plus en plus fluctuante certainement du fait de la présence de volumes morts et de la rétention d'eau liquide dans la pile. L'effet de la perforation de l'AME a été étudié sur une pile de 100 cm2: la perforation par une punaise de 0,7 mm de diamètre ne génère qu'une légère augmentation de la perméation de l'hydrogène; la perforation par une punaise de 1,2 mm de diamètre entraîne une chute de tension et l'augmentation significative de la résistance de diffusion de l'oxygène due à la perméation importante de l'hydrogène / This thesis highlights the aging mechanisms of PEM Fuel Cell submitted to two main aging conditions: air relative humidity (RH) cycling, and MEA (Membrane Electrode Assembly) pinhole test of operation. First, the aging mechanisms of PEMFC main components (membrane, catalyst, carbon support, GDL, bipolar plates and gaskets), have been reviewed from the literature. Then the on-line diagnostic tools (chronopotentiometry, electrochemical impedance spectroscopy, water management and water analysis), off-line ones (cyclic voltammetry and linear sweep voltammetry) and post-mortem analyses (nuclear magnetic resonance, transmission electron microscopy, scanning electron microscopy and X-ray diffraction) have been described. Experimentally, the high and low air RH cycling runs have been carried out with a 25 cm2 single cell: the high air RH cycling run promoted serious loss of the ElectroChemical Surface Area (ECSA); the low air RH cycling run caused significant increase in hydrogen crossover. The low air RH cycling has been also performed with a 100 cm2 single cell and the aging mechanism was different from that of 25 cm2 cell: the hydrogen crossover remained very low but the fuel cell voltage exhibited strong fluctuations at the end of the run: this was attributed to the presence of dead volumes and liquid water retention within the cell. Finally, MEA pinhole effect has been investigated with a 100 cm2 single cell: the perforation by a 0.7 mm diameter pin promoted slight increase in the hydrogen crossover; the perforation by a 1.2 mm diameter pin caused significant cell voltage losses and serious increase in the cathode diffusion resistance due to significant hydrogen crossover

This short paper considers all possible stakeholders in different stages of a sustainability transition and matches their behavioral features and diversity to policies. This will involve an assessment of potential or expected responses of stakeholders to a range of policy instruments. Following the Multi-Level Perspective framework to conceptualize sustainability transitions, we classify the various transition policies at niche, regime and landscape levels. Next, we offer a complementary classification of policies based on a distinction between social preferences and bounded rationality. The paper identifies many barriers to making a sustainability transition and how to respond to them. In addition, lessons are drawn from the case of Denmark. The detailed framework and associated literature for the analysis was discussed in Milestone 31 of the WWWforEurope project (Gazheli et al., 2012). / Series: WWWforEurope

Je présente dans une première partie mes travaux de recherche sur les microcavités semi-conductrices en régime de couplage fort exciton-photon. Les modes propres dans ces systèmes sont des états mixtes exciton-photon appelés polaritons de cavité, qui présentent de fortes non-linéarités optiques provenant de l'interaction exciton-exciton. Je présente plusieurs applications de ces dispositifs dans les domaines de l'optique quantique (compression du bruit quantique, génération de faisceaux corrélés) des communications optiques et de l'opto-électronique de spin.<br /><br />J'aborde dans la deuxième partie mes activités théorique et expérimentale autour de la spectroscopie de l'ion H2+. Le but de l'expérience, qui a débuté en 2003 à l'université d'Evry, est de mesurer la fréquence d'une transition vibrationnelle à deux photons sans effet Doppler, et de la comparer à des prédictions théoriques précises pour en déduire une nouvelle détermination du rapport mp/me. Je décris les progrès des calculs de haute précision sur l'ion H2+ (niveaux d'énergie non relativistes, structure hyperfine), ainsi que le dispositif expérimental mis en place et les perspectives de l'expérience.

The binding of molecular hydrogen to a metal center leads to the elongation of the H−H bond and subsequently to its cleavage along the reaction coordinate for the oxidative addition of H2. There has been considerable interest in the study of the activation of dihydrogen and map out the reaction coordinate for the homolysis of H2 on a metal center. A large number of H2 complexes reported to date possess H−H distances ranging from 0.8 to 1.0 Å. A relatively fewer examples of elongated dihydrogen complexes wherein the H−H distances fall in the range of 1.0 to 1.5 Å, are known. Study of the elongated dihydrogen complexes is of great significance because of its relevance in important catalytic processes such as hydrogenation, hydrogenolysis, and hydroformylation. Objectives The objectives of this work are as follows: (a) Synthesis and characterization of elongated dihydrogen complexes with chelating phosphine coligands by varying the electron donor ability. (b) Trap the various intermediate states in the process of oxidative addition of H2 to a metal center. (c) Map the reaction coordinate for the oxidative addition for the oxidative addition of H2 to a metal center. Results We have synthesized and characterized two new elongated dihydrogen complexes cis-[Ir(H)(η2-S2CH)(η2-H2)(PR3)2][BF4] (PR3 = PCy3, PPh3) wherein hydrogen atom undergoes site exchange between the H2 and the hydride sites. The dynamics of the exchange was studied using NMR spectroscopy. In addition, a series of ruthenium dihydrogen complexes of the type trans-[Ru(Cl)(η2-H2)(PP)][BF4] (PP = 1,2- Synopsis bis(diarylphosphino)ethane) has been synthesized and characterized wherein the aryl group is a benzyl moiety with a substituent (p-fluoro, H, m-methyl, p-methyl, p-isopropyl); in this series of complexes, a small increment in the electron donor ability (decrease in Hammett substituent constants) of the chelating phosphine ligand resulted in an elongation of the H−H bond by a small, yet significant amount. We also synthesized a series of 16-electron dicationic dihydrogen complexes bearing elongated dihydrogen ligand. In addition, we prepared a series of dihydrogen complexes of the type [RuCp/Cp*(PP)(η2-H2)][OTf] (PP = 1,2-bis(diarylphosphino)ethane, 1,2-bis(diarylphosphino)methane, 1,2-bis(dialkylphosphino)methane) bearing elongated H2 ligand (dHH = 1.0 to 1.17 Å); in this series of complexes as well, we found that the H−H bond distances increased as the donor ability of the chelating phosphines increased in small increments, along the reaction coordinate for the oxidative addition of H2 to a metal center. This investigation therefore, has established a very nice correlation between the H−H bond lengths and the Hammett substitutent constants (donor properties) resulting in the construction of dihydrogen complexes along the reaction coordinate for the oxidative addition of H2 to a metal center.

The European Commission's long-standing strategy to achieve climate neutrality by 2050 has rekindled enthusiasm for hydrogen as a key vector that could reduce emissions. The stakeholders in the European energy system have their full attention focused on this vector. Vätgas Sweden, as a market player together with other organizations, seeks through this research to understand the current outlook for the low-carbon hydrogen market in the countries of the Baltic Sea region and Ukraine, which would help to penetrate and strengthen economic and political ties within the European Union. I present insights based on information from 2022 and estimates of future hydrogen production and demand through 2035 within the geographic scope along with interview results from follow-up sessions with project member organizations. This enabled the identification of barriers and drivers for viable business development. The comprehensive global review of hydrogen projects up to May 2024 considered data on project phasing, hydrogen production technology, demand and installed production capacity through harmonized modelling and statistical inference. The analysis explores the main evidence on production technologies and methods of handling blue and green hydrogen to meet the Baltic Sea region's decarbonization targets, examining the potential for trade. I highlight the overlapping barriers and drivers in the hydrogen market of Denmark, Estonia, Finland, Germany, Lithuania, Latvia, Poland, Sweden and Ukraine. The considered analysis adds a more realistic estimation of hydrogen forecasts by showing a better picture of the context in the Baltic Sea region. Vätgas Sweden plans a series of projects and studies analysing European trends in low-carbon hydrogen production to provide stakeholders, specialists and scientists around the world with the current level of knowledge on the essential barriers and drivers in the period of its industrial emergence. / Europeiska kommissionens mångåriga strategi för att uppnå klimatneutralitet till 2050 har återuppväckt entusiasmen för väte som en nyckelvektor som kan minska utsläppen. Intressenterna i det europeiska energisystemet har sin fulla uppmärksamhet fokuserad på denna vektor. Vätgas Sverige, som marknadsaktör tillsammans med andra organisationer, söker genom denna forskning förstå de nuvarande utsikterna för vätgasmarknaden med låga koldioxidutsläpp i länderna i Östersjöregionen och Ukraina, vilket skulle bidra till att penetrera och stärka ekonomiska och politiska band inom Europeiska unionen. Jag presenterar insikter baserade på information från 2022 och uppskattningar av framtida väteproduktion och efterfrågan fram till 2035 inom det geografiska området tillsammans med intervjuresultat från uppföljningssessioner med projektmedlemsorganisationer. Detta gjorde det möjligt att identifiera hinder och drivkrafter för livskraftig affärsutveckling. Den omfattande globala översynen av väteprojekt fram till maj 2024 tog hänsyn till data om projektfas, väteproduktionsteknik, efterfrågan och installerad produktionskapacitet genom harmoniserad modellering och statistisk slutledning. Analysen undersöker de viktigaste bevisen på produktionsteknologier och metoder för att hantera blått och grönt väte för att uppfylla Östersjöregionens avkolningsmål, och undersöker potentialen för handel. Jag lyfter fram de överlappande barriärerna och drivkrafterna på vätgasmarknaden i Danmark, Estland, Finland, Tyskland, Litauen, Lettland, Polen, Sverige och Ukraina. Den övervägda analysen lägger till en mer realistisk uppskattning av väteprognoser genom att visa en bättre bild av sammanhanget i Östersjöregionen. Vätgas Sverige planerar en serie projekt och studier som analyserar europeiska trender inom vätgasproduktion med låga koldioxidutsläpp för att förse intressenter, specialister och forskare runt om i världen med den nuvarande kunskapsnivån om de väsentliga barriärerna och drivkrafterna under den industriella framväxtperioden. / La estrategia de larga data de la Comisión Europea para lograr la neutralidad climática para 2050 ha reavivado el entusiasmo por el hidrógeno como un vector clave que podría reducir las emisiones. Los actores del sistema energético europeo tienen toda su atención centrada en este vector. Vätgas Suecia, como actor del mercado junto con otras organizaciones, busca a través de esta investigación comprender las perspectivas actuales del mercado del hidrógeno bajo en carbono en los países de la región del Mar Báltico y Ucrania, lo que ayudaría a penetrar y fortalecer los lazos económicos y políticos dentro de la Unión Europea. Presento ideas basadas en información de 2022 y estimaciones de la producción y demanda futura de hidrógeno hasta 2035 dentro del alcance geográfico junto con los resultados de entrevistas de sesiones de seguimiento con organizaciones miembros del proyecto. Esto permitió identificar barreras e impulsores para el desarrollo empresarial viable. La revisión global integral de los proyectos de hidrógeno hasta mayo de 2024 consideró datos sobre las fases de los proyectos, la tecnología de producción de hidrógeno, la demanda y la capacidad de producción instalada a través de modelos armonizados e inferencia estadística. El análisis explora la evidencia principal sobre las tecnologías de producción y los métodos de manejo del hidrógeno azul y verde para cumplir los objetivos de descarbonización de la región del Mar Báltico, examinando el potencial para el comercio. Destaco las barreras y los impulsores superpuestos en el mercado del hidrógeno de Dinamarca, Estonia, Finlandia, Alemania, Lituania, Letonia, Polonia, Suecia y Ucrania. El análisis considerado añade una estimación más realista de las previsiones de hidrógeno al mostrar una mejor imagen del contexto en la región del Mar Báltico. Vätgas Suecia planea una serie de proyectos y estudios que analizan las tendencias europeas en la producción de hidrógeno con bajas emisiones de carbono para proporcionar a las partes interesadas, especialistas y científicos de todo el mundo el nivel actual de conocimiento sobre las barreras e impulsores esenciales en el período de su surgimiento industrial. / BaSeH2, Baltic Sea Region Hydrogen Network