The existence of bulk magnetism in matter can be attributed to the magnetic properties of the sub-atomic particles that constitute the former. The fact that the origin of these microscopic magnetic moments cannot be related to the existence of microscopic currents became apparent when this assumption predicted completely featureless bulk magnetic properties in contradiction to the observation of various bulk magnetic properties [1]. This microscopic magnetic moment, independent of other motions, hints at the existence of a hitherto unknown degree of freedom that a particle can possess. This property has come to be known as the "spin" of the particle. The atomic nucleus is comprised of the protons and the neutrons which possess a spin each. The composite object- the atomic nucleus is therefore a tiny magnet itself. In the presence of an external bias like a magnetic field, the nucleus therefore evolves like a magnetic moment and attains a characteristic frequency in its evolution called the Larmor frequency given by, (formula) where η is the magnetogyric ratio of the particle and B is the applied magnetic field. The existence of a natural frequency presents the possibility of a resonance behaviour in the response of the system when probed with a driving field. This is the basic principle of magnetic resonance, which in the context of the atomic nucleus, was discovered independently by Purcell [2] and Bloch [3]. From its conception, the technique and the associated understanding of the involved phenomena have come a long way. In its original form the technique involved the study of the steady-state response of the nuclear magnetic moment to a driving field. This continuous wave NMR had the basic limitation of exciting resonances in a given sample, serially. In due course of time, this technique was replaced by the Fourier transform NMR (FTNMR) [4]. This technique differed from the continuous wave NMR in its study of the transient response of the system in contrast to the steady-state response in the former. The advantage of this method is the parallel observation of all the resonances present in the system ( within the band-width of the excitation). In addition to the bias created by the external field, other internal molecular fields produce additional bias which in turn produce interesting signatures on the spectrum of the system, which are potential carriers of information about the molecular state. The fact that the spins are not isolated from the molecular environment, produces a striking effect on the ideal spectrum of the system. These effects contain in them, the signatures of the molecular local environment and are hence of immense interest to physicists, chemists and biologists.

We present in this thesis a series of studies on the physical properties of some one dimensional systems. In particular we study the low energy properties of various spin chains and a junction of Luttinger wires. For spin chains we specifically look at the role of perturbations like frustrating interactions and dimerisation in a nearest neighbour chain and the formation of magnetisation plateaus in two kinds of models; one purely theoretical and the other motivated by experiments. In our second subject of interest we study using a renormalisation group analysis the effect of spin dependent scattering at a junction of Luttinger wires. We look at the physical effects caused by the interplay of electronic interactions in the wires and the scattering processes at the junction. The thesis begins with an introductory chapter which gives a brief glimpse of the ideas and techniques used in the specific problems that we have worked on. Our work on these problems is then described in detail in chapters 25. We now present a brief summary of each of those chapters. In the second chapter we look at the ground state phase diagram of the mixed-spin sawtooth chain, i.e a system where the spins along the baseline are allowed to be different from the spins on the vertices. The spins S1 along the baseline interact with a coupling strength J1(> 0). The coupling of the spins on the vertex (S2) to the baseline spins has a strength J2. We study the phase diagram as a function of J2/J1 [1]. The model exhibits a rich variety of phases which we study using spinwave theory, exact diagonalisation and a semi-numerical perturbation theory leading to an effective Hamiltonian. The spinwave theory predicts a transition from a spiral state to a ferrimagnetic state at J2S2/2J1S1 = 1 as J2/J1 is increased. The spectrum has two branches one of which is gapless and dispersionless (at the linear order) in the spiral phase. This arises because of the infinite degeneracy of classical ground states in that phase. Numerically, we study the system using exact diagonalisation of up to 12 unit cells and S1 = 1 and S2 =1/2. We look at the variation of ground state energy, gap to the lowest excitations, and the relevant spin correlation functions in the model. This unearths a richer phase diagram than the spinwave calculation. Apart from revealing a possibility of the presence of more than one kind of spiral phases, numerical results tell us about a very interesting phase for small J2. The spin correlation function (for the spin1/2s) in this region have a property that the nextnearest-neighbour correlations are much larger than the nearest neighbour correlations. We call this phase the NNNAFM (nextnearest neighbour antiferromagnet) phase and provide an understanding of this phase by deriving an effective Hamiltonian between the spin1/2s. We also show the existence of macroscopic magnetisation jumps in the model when one looks at the system close to saturation fields. The third chapter is concerned with the formation of magnetisation plateaus in two different spin models. We show how in one model the plateaus arise because of the competition between two coupling constants, and in the other because of purely geometrical effects. In the first problem we propose [2] a class of spin Hamiltonians which include as special cases several known systems. The class of models is defined on a bipartite lattice in arbitrary dimensions and for any spin. The simplest manifestation of such models in one dimension corresponds to a ladder system with diagonal couplings (which are of the same strength as the leg couplings). The physical properties of the model are determined by the combined effects of the competition between the ”rung” coupling (J’ )and the ”leg/diagonal” coupling (J ) and the magnetic field. We show that our model can be solved exactly in a substantial region of the parameter space (J’ > 2J ) and we demonstrate the existence of magnetisation plateaus in the solvable regime. Also, by making reasonable assumptions about the spectrum in the region where we cannot solve the model exactly, we prove the existence of first order phase transitions on a plateau where the sublattice magnetisations change abruptly. We numerically investigate the ladder system mentioned above (for spin1) to confirm all our analytical predictions and present a phase diagram in the J’/J - B plane, quite a few of whose features we expect to be generically valid for all higher spins. In the second problem concerning plateaus (also discussed in chapter 3) we study the properties of a compound synthesised experimentally [3]. The essential feature of the structure of this compound which gives rise to its physical properties is the presence of two kinds of spin1/2 objects alternating with each other on a helix. One kind has an axis of anisotropy at an inclination to the helical axis (which essentially makes it an Ising spin) whereas the other is an isotropic spin1/2 object. These two spin1/2 objects interact with each other but not with their own kind. Experimentally, it was observed that in a magnetic field this material exhibits magnetisation plateaus one of which is at 1/3rd of the saturation magnetisation value. These plateaus appear when the field is along the direction of the helical axis but disappear when the field is perpendicular to that axis. The model being used for the material prior to our work could not explain the existence of these plateaus. In our work we propose a simple modification in the model Hamiltonian which is able to qualitatively explain the presence of the plateaus. We show that the existence of the plateaus can be explained using a periodic variation of the angles of inclination of the easy axes of the anisotropic spins. The experimental temperature and the fields are much lower than the magnetic coupling strength. Because of this quite a lot of the properties of the system can be studied analytically using transfer matrix methods for an effective theory involving only the anisotropic spins. Apart from the plateaus we study using this modified model other physical quantities like the specific heat, susceptibility and the entropy. We demonstrate the existence of finite entropy per spin at low temperatures for some values of the magnetic field. In chapter 4 we investigate the longstanding problem of locating the gapless points of a dimerised spin chain as the strength of dimerisation is varied. It is known that generalising Haldane’s field theoretic analysis to dimerised spin chains correctly predicts the number of the gapless points but not the exact locations (which have determined numerically for a few low values of spins). We investigate the problem of locating those points using a dimerised spin chain Hamiltonian with a ”twisted” boundary condition [4]. For a periodic chain, this ”twist” consists simply of a local rotation about the zaxis which renders the xx and yy terms on one bond negative. Such a boundary condition has been used earlier for numerical work whereby one can find the gapless points by studying the crossing points of ground states of finite chains (with the above twist) in different parity sectors (parity sectors are defined by the reflection symmetry about the twisted bond). We study the twisted Hamiltonian using two analytical methods. The modified boundary condition reduces the degeneracy of classical ground states of the chain and we get only two N´eel states as classical ground states. We use this property to identify the gapless points as points where the tunneling amplitude between these two ground states goes to zero. While one of our calculations just reproduces the results of previous field theoretic treatments, our second analytical treatment gives a direct expression for the gapless points as roots of a polynomial equation in the dimerisation parameter. This approach is found to be more accurate. We compare the two methods with the numerical method mentioned above and present results for various spin values. In the final chapter we present a study of the physics of a junction of Luttinger wires (quantum wires) with both scalar and spin scattering at the junction ([5],[6]). Earlier studies have investigated special cases of this system. The systems studied were two wire junctions with either a fully transmitting scattering matrix or one corresponding to disconnected wires. We extend the study to a junction of N wires with an arbitrary scattering matrix and a spin impurity at the junction. We study the RG flows of the Kondo coupling of the impurity spin to the electrons treating the electronic interactions and the Kondo coupling perturbatively. We analyse the various fixed points for the specific case of three wires. We find a general tendency to flow towards strong coupling when all the matrix elements of the Kondo coupling are positive at small length scales. We analyse one of the strong coupling fixed points, namely that of the maximally transmitting scattering matrix, using a 1/J perturbation theory and we find at large length scales a fixed point of disconnected wires with a vanishing Kondo coupling. In this way we obtain a picture of the RG at both short and long length scales. Also, we analyse all the fixed points using lattice models to gain an understanding of the RG flows in terms of specific couplings on the lattice. Finally, we use to bosonisation to study one particular case of scattering (the disconnected wires) in the presence of strong interactions and find that sufficiently strong interactions can stabilise a multichannel fixed point which is unstable in the weak interaction limit.

L'étude de la stabilité et de l'instabilité des systèmes hamiltoniens proches de systèmes intégrables est un problème ancien et difficile en systèmes dynamiques.<br /><br /> Il y a deux types de théorèmes :<br /><br /> i) Les résultats of stabilité sur des temps infinis obtenus avec la théorie K.A.M. qui sont valables sur un ensemble de Cantor de grande mesure mais on a très peu d'informations sur les autres trajectoires et même une instabilité importante peut se développer.<br /><br /> ii) D'autre part, des résultats de stabilité sur des ensembles ouverts mais seulement sur un temps exponentiellement long par rapport à la taille de la perturbation.<br /><br /> Ce deuxième type de résultats est du à N.N. Nekhorochev qui a établi en 1977 un théorème de stabilité global en temps exponentiellement long dans le cas où le hamiltonien non perturbé (intégrable) est escarpé. C'est à dire s'il vérifie certaines conditions de transversalité qui sont génériquement satisfaites par les fonctions infiniment différentiables. Notamment, les fonctions convexes sont escarpées. L'étude de cette notion et ses conséquences n'a pas été reprise depuis la démonstration originale de Nekhorochev malgrés la densité de la classe des fonctions escarpées et différents exemples issus de la physique où le hamiltonien intégrable considéré est escarpé mais pas convexe.<br /><br /> Dans ce mémoire, on présente tout d'abord une démonstration notablement simplifiée du théorème de Nekhorochev. Ceci permet d'obtenir des estimations raffinées sur les temps de stabilité qui sont essentiellement optimales dans le cas convexe.<br /><br /> D'autre part, Y. Ilyashenko a donné une caractérisation géométrique des fonctions escarpées dans le cas holomorphe. On reprend cette étude à l'aide d'outils de géométrie sous analytique réelle (lemme de sélection de courbe et exposants de Lojaciewicz). Ceci permet d'étendre le résultat d'Ilyashenko au cas réel et de montrer clairement que les hypothèses d'escarpement sont presques minimales pour assurer la stabilité effective des systèmes hamiltoniens proches d'un système intégrable. On en déduit aussi des méthodes de calcul explicites des constantes intervenant dans ce type de théorème.<br /><br /> Enfin, on montre un théorème de stabilité en temps exponentiellement long pour des systèmes hamiltoniens presques-intégrables avec une condition de non-dégénérescence sur le hamiltonien non perturbé strictement plus faible que la raideur. L'intérêt de ce raffinement vient du fait qu'il permet d'établir un résultat de stabilité générique avec des exposants fixes. Il s'agit de généricité au sens de la mesure (ensembles prévalents suivant la terminologie de Kaloshin) parmi les fonctions réelle-analytiques. Ce résultat est obtenu grâce à l'application d'une version quantitative du théorème de Sard due à Yomdin.

We study canonical forms for Hamiltonian and symplectic matrices or pencils under equivalence transformations which keep the class invariant. In contrast to other canonical forms our forms are as close as possible to a triangular structure in the same class. We give necessary and sufficient conditions for the existence of Hamiltonian and symplectic triangular Jordan, Kronecker and Schur forms. The presented results generalize results of Lin and Ho [17] and simplify the proofs presented there.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit den besonderen elektronischen Eigenschaften der Übergangsmetall-Aluminide. In Anlehnung an die Quasikristalle und ihre Approximanten zeigt sich, dass selbst Materialien mit kleinen Einheitszellen die gleichen überraschenden Effekte aufweisen. So gibt es unter den Übergangsmetall-Aluminiden auch semimetallische und halbleitende Verbindungen, auch wenn sie aus klassisch-metallischen Komponenten wie Fe, Al oder Cr bestehen. Diese Eigenschaften sind außerdem mit einem tiefen Pseudogap bzw. Gap in der Zustandsdichte und starken kovalenten Bindungen gekoppelt. Bindungen werden im Rahmen dieser Arbeit durch zwei wesentliche Eigenschaften beschrieben. Erstens durch die Bindungsladung und zweitens durch die energetische Auswirkung der Bindung. Es ergibt sich, dass im Fall halbleitender Übergangsmetall-Aluminide zum einen eine Sättigung von bestimmten Bindungen, wie auch ein bindungs-antibindungs-Wechsel bei der Fermi-Energie vorliegt. Mit der Analyse der Nahordnung in Form der sogenannten lokalen Koordinationspolyeder ist es gelungen, eine einfache Regel für Halbleiter aufzustellen, die Fünffachkoordination für Al. Diese Regel besagt, dass Aluminium-Atome mit ihren drei Valenzelektronen nicht in der Lage sind, mehr als fünf gesättigte Bindungen zu ihren nächsten Übergangsmetall-Nachbarn aufzubauen. In exzellenter Übereinstimmung mit den in Annahme gleichartiger Bindungen theoretisch vorhergesagten Bindungswinkel ergibt sich, dass alle binären Übergangs-Aluminid-Halbleiter für die Al-Atome die gleiche Nahordnung aufweisen. Typische Werte für spezifische Widerstände der untersuchten Materialien bei Raumtemperatur liegen im Bereich von einigen 100µOhm cm, was weit größer ist als einige 10µOhm cm wie im Fall der unlegierten Metalle. Überraschend ist außerdem eine hohe Transportanisotropie mit einem Verhältnis der spezifischen Widerstände bis zu 3.0. Eine wesentliche Errungenschaft der Arbeit kann in der Verknüpfung der Eigenschaft des elektronischen Transports und der Bindungseigenschaften gesehen werden. Die geringen Leitfähigkeiten konnten durch geringe Werte in der Zustandsdichte (DOS) und einem bei gleicher Energie stattfindenden bindungs-antibindungs-Wechsel erklärt werden.

Το κύριο μέρος της διατριβής αρχίζει στο Κεφάλαιο 4 όπου παρουσιάζονται πρωτότυπα ερευνητικά αποτελέσματα της διατριβής που αφορούν στην κανονική και χαοτική δυναμική Χαμιλτώνιων συστημάτων λίγων βαθμών ελευθερίας. Περιγράφονται αποτελέσματα πάνω στη συμπεριφορά δεικτών διάκρισης οργανωμένης και χαοτικής δυναμικής στα συστήματα αυτά και γίνεται σύγκριση με τα αντίστοιχα της διεθνούς βιβλιογραφίας. Τέλος, αναφέρονται αποτελέσματα από τη θεωρία και την εφαρμογή της μεθόδου του Γενικευμένου Δείκτη Ευθυγράμμισης GALI, που αποτελεί ένα από τα πιο βασικά νέα στοιχεία της διατριβής, σε μη ολοκληρώσιμα Χαμιλτώνια συστήματα δύο και τριών βαθμών ελευθερίας. Το Κεφάλαιο 5 ασχολείται με την παρουσίαση πρωτότυπων ερευνητικών αποτελεσμάτων σε Χαμιλτώνια δυναμικά συστήματα πολλών βαθμών ελευθερίας. Εδώ, εισάγονται νέες μέθοδοι για την μελέτη των περιοχών κανονικής και χαοτικής συμπεριφοράς συστημάτων πολλών βαθμών ελευθερίας με σκοπό να κατανοηθεί η συμπεριφορά των συστημάτων αυτών στο θερμοδυναμικό όριο και να δοθεί μια απάντηση στο καίριο ερώτημα αν οι νόμοι της Στατιστικής Μηχανικής ισχύουν στην περίπτωση των πολυδιάστατων Χαμιλτώνιων συστημάτων που εξετάζονται εδώ. Ελέγχεται πως αυξάνουν οι χαοτικές περιοχές γύρω από ασταθείς Απλές Περιοδικές Λύσεις (ΑΠΛ) στον χώρο φάσεων, μετά από μία κρίσιμη τιμή της ολικής ενέργειας, η δε μετάβαση από περιορισμένο σε εκτεταμένο χάος, προκύπτει από το ότι συχνά σε περιοχές διαφορετικών ασταθών ΑΠΛ συγκλίνουν τα αντίστοιχα φάσματα Lyapunov στην ίδια εκθετική συνάρτηση. Υπολογίζοντας κατόπιν το άθροισμα των θετικών εκθετών Lyapunov, που αντιστοιχεί στην εντροπία Kolmogorov - Sinai και διαπιστώνεται ότι για τα συστήματα που εξετάζονται στη διατριβή αυτή, η εντροπία KS αυξάνει γραμμικά, συναρτήσει των βαθμών ελευθερίας N, επιβεβαιώνοντας έτσι ότι είναι εκτεταμένη ποσότητα της Στατιστικής Μηχανικής. Τέλος εισάγεται η νέα μέθοδος του Δείκτη Γραμμικής Εξάρτησης (LDI) για τον διαχωρισμό χαοτικών και οργανωμένων τροχιών και αναφέρονται τα συγκριτικά της πλεονεκτήματα σε σχέση με τις μεθόδους των Κεφαλαίων 3 και 4. Αξίζει επίσης να αναφερθεί ότι πολλά αποτελέσματα της διατριβής μπορούν να εφαρμοσθούν για τη μελέτη της δυναμικής συμπλεκτικών απεικονίσεων, για τις οποίες ο κ .Αντωνόπουλος ανέπτυξε μια νέα μέθοδο που συνδυάζει τη χρήση δικών του μεθόδων και των λεγόμενων Διαφοροεξελικτικών Αλγορίθμων, για την εύρεση της δυναμικής ακτίνας ευστάθειας συμπλεκτικών απεικονίσεων που περιγράφουν επιταχυντές σωματιδίων υψηλών ενεργειών. / The main part of the thesis begins with Chapter 3, where new research results are presented which concern the regular and chaotic dynamics of Hamiltonian systems of few degrees of freedom. Results are described on the behavior of indices distinguishing organized from chaotic motion in these systems and a comparison is made with corresponding results in the international literature. Then, new findings are reported on the theory and application of the method of the Generalized Alignment Index GALI, which is one of the most basic discoveries of the thesis in nonintegrable Hamiltonian systems of 2 and 3 degrees of freedom. Chapter 5 deals with the presentation of original research results in Hamiltonian systems of many degrees of freedom. Here new methods are introduced for the study of regions of regular and chaotic behavior of multi degree of freedom systems with the primary aim of understanding the behavior of these systems in the thermodynamic limit to give an answer to the crucial question of whether the laws of Statistical mechanics hold in the case of multi dimensional Hamiltonian systems. The author studies how chaotic regions increase in size around unstable Simple Periodic Orbits (SPOs) in phase space, beyond a critical value of the energy, while the transition from limited to widespread chaos is indicated by the fact that in regions of different unstable SPOs the corresponding Lyapunov spectra converge to the same exponential – like function. Computing then the sum of the positive Lyapunov exponents, which corresponds to the so called Kolmogorov – Sinai entropy, it is shown that the systems that are studied in this thesis the KS entropy increases linearly as a function of the number of degrees of freedom N, thus confirming that it is an extensive quantity of Statistical Mechanics. Finally, the new method of the Linear Dependence Index (LDI) is introduced for distinguishing between regular and chaotic orbits and its advantages are described when compared with the methods of Chapters 3 and 4. It is worth mentioning also that many of the results of this thesis can be applied to the study of the dynamics of symplectic mappings, for which Mr. Antonopoulos developed a new method which combines his techniques with those of Evolutionary Algorithms, for determining the dynamical aperture radius for the stability of symplectic maps which describe the dynamics of high energy particle accelerators.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετάμε την κλασική δυναμική ατόμου υδρογόνου σε γενικευμένο δυναμικό Van der Waals. Το πρόβλημα ανήκει στην ευρύτερη κατηγορία των μη γραμμικών Χαμιλτώνιων δυναμικών συστημάτων. Σκοπός της μελέτης είναι η ανάλυση των ιδιομορφιών της κανονικής και χαοτικής κίνησης του συστήματος στο μιγαδικό πεδίο του χρόνου και η εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με την ολοκληρωσιμότητα και επιλυσιμότητά του. Εκείνο που θέλουμε να κατανοήσουμε, επίσης, είναι τον ρόλο που παίζει η εμφάνιση ιδιομορφιών σε κάποια σημεία του χώρου των φάσεων και κατά πόσο μπορούν αυτές να επηρεάσουν συνολικά τις ιδιότητες των λύσεων. Για πρώτη φορά, επίσης, στην διπλωματική αυτή εργασία εφαρμόζεται σε ένα Χαμιλτώνιο δυναμικό σύστημα μία νέα αριθμητική μέθοδος διάκρισης μεταξύ κανονικής και χαοτικής συμπεριφοράς σε διαφορετικές περιοχές του χώρου φάσεων, η μέθοδος των Μικρότερων Δεικτών Ευθυγράμμισης (Smaller Alignment Indices method ή SALI). Η μέθοδος αυτή έχει χρησιμοποιηθεί κατά το πρόσφατο παρελθόν σε απεικονίσεις δύο, τεσσάρων και έξι διαστάσεων με πολύ ενδιαφέροντα αποτελέσματα. Χαρακτηριστικά της είναι η αποτελεσματικότητα και η δυνατότητα εξαγωγής χρήσιμων συμπερασμάτων ως προς την κανονική και χαοτική φύση των τροχιών ενός δυναμικού συστήματος με μεγαλύτερη ταχύτητα και αξιοπιστία από την μέθοδο των χαρακτηριστικών εκθετών Lyapunov καθώς και άλλων νεότερων μεθόδων στην σύγχρονη βιβλιογραφία. Εδώ θα παρουσιασθεί η μέθοδος αυτή με ορισμένες βελτιώσεις ώστε να μπορεί να εφαρμοσθεί σε συστήματα μη γραμμικών διαφορικών εξισώσεων οποιασδήποτε διάστασης ελέγχοντας συστηματικά ένα όσο πυκνό πλέγμα αρχικών συνθηκών του χώρου φάσεων επιθυμούμε, αντιστοιχώντας σε κάθε μία από αυτές ένα χρώμα. Κάθε χρώμα αντιστοιχεί και σε ένα διαφορετικό εύρος τάξεων του SALI δημιουργώντας έτσι μία συνολική εικόνα στο χώρο φάσεων που μας επιτρέπει να γνωρίζουμε τη φύση της τροχιάς κάθε συγκεκριμένης αρχικής συνθήκης. Σχηματίζεται με αυτόν τον τρόπο το "μωσαϊκό" του χώρου φάσεων και αποκαλύπτονται περιοχές κανονικής κίνησης, χαοτικής κίνησης καθώς και νησίδες ή περιοχές στις οποίες δεν αντιστοιχεί καθόλου κίνηση. / In this master thesis we study the classical dynamics of hydrogen atoms in a generalized Van der Waals potential. The problem belongs to the class of non linear Hamiltonian systems. Our aim is the singularity analysis of the ordered and chaotic motion of the system in the complex plain of time and the extraction of valuable conclusions concerning its integrability and solvability. What we want to understand, also, is the role of the emergence of singularities in some points of the phase space of the aforementioned system and how the singularities can affect globally the properties of the solutions. For the first time, in this master thesis, we introduce and apply in a Hamiltonian system a new numerical method for the fast and efficient discrimination between ordered and chaotic motion in different parts of phase space, namely the method of the Smaller Alignment Index (SALI). The method has been introduced and applied recently in mappings of two, four and six dimensions with very satisfactory results. Its main characteristics are the effectiveness and the ability of extracting valuable conclusions about the ordered and chaotic nature of trajectories of a dynamical system faster than the traditional method of Lyapunov exponents as well as of other indices in the bibliography. We will introduce SALI with appropriate modifications that help using it in non linear systems of differential equations of arbitrary dimensions checking systematically a dense grid of initial conditions and corresponding in every orbit a different color. Every color corresponds to a different range of SALI values creating by that way a global picture of the phase space that allows us to know the dynamic nature of initial conditions. By that way, we construct a “mosaic” of the phase space and reveal parts of ordered motion as well as parts of chaotic motion and islands of stability.

No description available.

In der Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) treten drei Effekte auf, die paramagnetische und diamagnetische Moleküle in isotroper Lösung unterscheiden: residuale dipolare Kopplung (RDC), Pseudokontaktverschiebung (PCS) und paramagnetische Relaxationsverstärkung (PRE). Alle drei Effekte sind abhängig von intermolekularen Winkeln und Abständen und können daher Informationen über die Struktur und Dynamik des Moleküls liefern. Um diese Informationen zu erhalten, muss das Molekül paramagnetische Eigenschaften aufweisen. Eine der heutzutage gebräuchlichen Methoden verwendet kleine molekulare Tags, die paramagnetische Metallionen koordinieren. Die meisten dieser Tags binden über eine Disulfidbrücke an Cysteine an der Proteinoberfläche. Um diese Methode für DNA anzuwenden werden daher neue Taggingstrategien benötigt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine modifizierte Nukleobase synthetisiert, mit der ein Schwefelatom in die DNA eingebracht werden kann. Diese Methode erlaubt es, jeden Tag an die DNA zu binden, der als Verbindungsmethode eine Disulfidbrücke nutzt. Mit der Nukleobase wird eine Kohlenstoff-Dreifachbindung in die DNA eingefügt und mit Hilfe einer dipolaren Cycloaddition wird die freie Thiolgruppe eingebracht. Die modifizierte Nukleobase wurde erfolgreich an einem selbstkomplementären DNA-Strang (24 Nukleobasen) getestet. Die Nukleobase wurde während der Synthese der DNA eingefügt und der mit Lutetium, Terbium oder Thulium vorbeladene Cys-Ph-TAHA Tag wurde über eine Disulfidbrücke an die DNA gebunden. Die Beladung des Tags und die Taggingreaktion verliefen hierbei quantitativ. Nach diesem Erfolg war es ein Hauptaspekt dieser Arbeit, eine verlässliche und reproduzierbare Aufreinigungs- und Probenvorbereitungsmethode zu entwickeln. Diesem Punkt kommt besondere Bedeutung zu, da das Phosphatrückgrat der DNA, im Gegensatz zu Proteinen, Metallionen koordinieren kann. Im Theorieteil dieser Arbeit ist eine komplette Herleitung der drei Hauptmerkmale paramagnetischer NMR gegeben. Diese Herleitung beginnt bei Grundbegriffen des Magnetismus und neben den Gleichungen für RDCs, PCSs und PREs werden Ausdrücke für den dipolaren Hamiltonoperator, Kreuzrelaxationsraten, kreuzkorrelierte Relaxationsraten, durch Alignment induzierte RDCs, Korrelationsfunktionen und spektrale Dichten gegeben. Das zweite Thema dieser Arbeit basiert auf einem weiteren paramagnetischen Effekt. Um der reduzierten Empfindlichkeit der Kernspinresonanzspektroskopie verglichen mit anderen Spektroskopiemethoden entgegenzuwirken, wurden viele Methoden entwickelt, die auf eine Erhöhung der Polarisierung der Atomkerne zielen, d.h. um sogenannte hyperpolarisierte Kerne zu erzeugen. Eine dieser Methoden, die photochemisch erzeugte dynamische Kernpolarisierung (photo CIDNP), basiert auf kurzlebigen Radikalen, die durch direkte Laserbestrahlung der Probe im Magneten erzeugt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein photo CIDNP Aufbau entworfen, gebaut und getestet. Die ersten Experimente und Resultate mit Triethylendiamin, L-Tyrosin und 3-Fluor-L-tyrosin zeigen die Vorteile und Grenzen dieser Methode auf. Für 3-Fluor-L-tyrosin wurde eine komplette Analyse des Relaxationsverhaltens, einschließlich der Kreuzrelaxation und der kreuzkorrelierten Relaxation, durchgeführt.

Ce mémoire est une poursuite de l’étude de la superintégrabilité classique et quantique dans un espace euclidien de dimension deux avec une intégrale du mouvement d’ordre trois. Il est constitué d’un article. Puisque les classifications de tous les Hamiltoniens séparables en coordonnées cartésiennes et polaires sont déjà complétées, nous apportons à ce tableau l’étude de ces systèmes séparables en coordonnées paraboliques. Premièrement, nous dérivons les équations déterminantes d’un système en coordonnées paraboliques et ensuite nous résolvons les équations obtenues afin de trouver les intégrales d’ordre trois pour un potentiel qui permet la séparation en coordonnées paraboliques. Finalement, nous démontrons que toutes les intégrales d’ordre trois pour les potentiels séparables en coordonnées paraboliques dans l’espace euclidien de dimension deux sont réductibles. Dans la conclusion de l’article nous analysons les différences entre les potentiels séparables en coordonnées cartésiennes et polaires d’un côté et en coordonnées paraboliques d’une autre côté. Mots clés: intégrabilité, superintégrabilité, mécanique classique, mécanique quantique, Hamiltonien, séparation de variable, commutation. / This thesis is a contribution to the study of classical and quantum superintegrability in a two-dimensional Euclidean space involving a third order integral of motion. It consists of an article. Because the classifications of all separable hamiltonians into Cartesian and polar coordinates are already complete, we bring to this picture the study of those systems in parabolic coordinates. First, we derive the determinating equations of a system into parabolic coordinates, after which we solve the obtained equations in order to find integrals of order three for potentials, which allow the separations of variables into the parabolic coordinates. Finally, we prove that all the third order integrals for separable potentials in parabolic coordinates in the Euclidean space of dimension two are reducible. In the conclusion of this article, we analyze the differences between the separable potentials in Cartesian and polar coordinates and the separable potentials in parabolic coordinates. Keywords: integrability, superintegrability, classical mechanics, quantum mechanics, Hamiltonian, separation of variables, commutation.