La détermination de la masse nucléaire permet d'accéder à l'énergie de liaison donc au bilan de toutes les forces agissant dans le noyau. L'exploration de la structure nucléaire requiert la mesure des masses loin de la stabilité. Néanmoins la production des ions radioactifs est peu sélective et l'ion d'intérêt est souvent noyé dans un fond de contaminants isobariques. Ces dernières années, l'utilisation des pièges à ions linéaires et du refroidissement par gaz tampon a été fortement développée permettant la mesure de masse des noyaux exotiques avec une grande précision. Cette thèse porte sur le développement innovant d'un piège de Paul circulaire, "le cirque d'ions". Sa géométrie lui permet de confiner les ions sur un grand nombre de tours. Ainsi, ils peuvent être refroidis avec une pression de gaz tampon de l'ordre de 10-4 mbar. Par ailleurs, il est capable de trier en masse les ions piégés et refroidis avec un pouvoir de résolution suffisant pour séparer des isobares. Nous avons réalisé et testé le premier prototype de ce spectromètre à Orsay. Cette thèse étudie également les prédictions des masses par les différents modèles théoriques, en les comparant avec l'approche microscopique HFB-17. Actuellement, la masse des noyaux très exotiques peut seulement être prédite. L'étude de l'énergie de séparation de deux neutrons avec HFB-17 met en évidence des zones d'instabilité numérique. Afin de l'améliorer, nous avons apporté une correction aux énergies de déformation calculées par ce modèle, en utilisant comme référence les masses des chaînes isotopiques 143-146Xe et 223-229Rn que nous avons mesurées avec le spectromètre ISOLTRAP au CERN.

L'unification entre structure et réaction a toujours été un grand défi de la physique nucléaire. L'extrème complexité rencontrée dans la description des systèmes quantiques finis a en effet mené la théorie nucléaire à dissocier ces deux approches. Une voie possible pour les réconcilier est le modèle en couches avec couplage aux états du continuum. Jusqu'alors, les applications numériques reposant sur ce modèle utilisaient un puit de potentiel local pour générer la base individuelle et une interaction résiduelle schématique de portéenulle pour les couplages au continuum. Nous avons développé le formalisme du modèle en couches avec couplage aux états du continuum avec une interaction nucléon-nucléon de portée finie. Nous avons ensuite généralisé le formalisme de manière à prendre en compte un nombre arbitraire de particules dans un état de diffusion. Le grand avantage de cette approche réside dans le fait que la même interaction est utilisée pour la construction de la base individuelle et pour le couplage aux états du continuum. Nous avons donc posé les bases nécessaires à un calcul ab initio, le but étant de dériver le champ moyen, les mélanges de configurations et le couplage aux états du continuum à partir de la seule interaction nucléon-nucléon dans le vide. Nous avons effectuée une première application réaliste en calculant les spectres de 17F et 17O, et les déphasages de difusion élastique 16O(p, p)16O.

Time-dependent density functional theory calculations have been carried out to determine the complex first-order hyperpolarizability in the two-photon resonance region of the molecule IDS-Cab. Calculations show that three strongly absorbing states, in the ultraviolet region, are separated to the extent that no significant interference of the imaginary parts of the tensor elements of the first-order hyper-polarizability occurs. Consequently, and in contrast to experimental findings [27], no reduced imaginary parts of the first-order hyperpolarizability in the two-photon resonant region can be seen.

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Computational chemists are concerned about two aspects when choosing between the myriad of theoretical methodologies: the accuracy (the "truth") and the computational cost (the tractability). Among the least expensive methods are the Hartree-Fock (HF), density functional theory (DFT), and second-order Moller-Plesset perturbation theory (MP2) methods. While each of these methods yield excellent results in many cases, the inadequate inclusion of certain types of electron correlation (either high-orders or nondynamical) can produce erroneous results. The compromise for the computation of noncovalent interactions often comes from empirically scaling DFT and/or MP2 methods to fit benchmark data sets. The DFT method with an empirically fit dispersion term (DFT-D) often yields semi-quantitative results. The spin-component scaled MP2 (SCS-MP2) method parameterizes the same- and opposite-spin correlation energies and often yields less than 20% error for prototype noncovalent systems compared to chemically accurate CCSD(T) results. There is no simple fix for cases with a large degree of nondynamical correlation (such as transition metal-salen complexes). While testing standard and new DFT functionals on the spin-state energy gaps of transition metal-salen complexes, no DFT method produced reliable results compared to very robust CASPT3 results. Therefore each metal-salen complex must be evaluated on a case-by-case basis to determine which methods are the most reliable. Utilizing a combination of DFT-D and SCS-MP2 methods, the reaction mechanism for the addition of cyanide to unsaturated imides catalyzed by the Al(Cl)-salen complex was performed. Various experimental observations are rationalized through this mechanism.

<p>This thesis is part of an effort to enable large-scale Hartree-Fock/Kohn-Sham (HF/KS) calculations. The objective is to model molecules and materials containing thousands of atoms at the quantum mechanical level. HF/KS calculations are usually performed with the Self-Consistent Field (SCF) method. This method involves two computationally intensive steps. These steps are the construction of the Fock/Kohn-Sham potential matrix from a given electron density and the subsequent update of the electron density usually represented by the so-called density matrix. In this thesis the focus lies on the representation of potentials and electron density and on the density matrix construction step in the SCF method. Traditionally a diagonalization has been used for the construction of the density matrix. This diagonalization method is, however, not appropriate for large systems since the time complexity for this operation is σ(n³). Three types of alternative methods are described in this thesis; energy minimization, Chebyshev expansion, and density matrix purification. The efficiency of these methods relies on fast matrix-matrix multiplication. Since the occurring matrices become sparse when the separation between atoms exceeds some value, the matrix-matrix multiplication can be performed with complexity σ(n).</p><p>A hierarchic sparse matrix data structure is proposed for the storage and manipulation of matrices. This data structure allows for easy development and implementation of algebraic matrix operations, particularly needed for the density matrix construction, but also for other parts of the SCF calculation. The thesis addresses also truncation of small elements to enforce sparsity, permutation and blocking of matrices, and furthermore calculation of the HOMO-LUMO gap and a few surrounding eigenpairs when density matrix purification is used instead of the traditional diagonalization method.</p>

<p>Time-dependent density functional theory calculations have been carried out to determine the complex first-order hyperpolarizability in the two-photon resonance region of the molecule IDS-Cab. Calculations show that three strongly absorbing states, in the ultraviolet region, are separated to the extent that no significant interference of the imaginary parts of the tensor elements of the first-order hyper-polarizability occurs. Consequently, and in contrast to experimental findings [27], no reduced imaginary parts of the first-order hyperpolarizability in the two-photon resonant region can be seen.</p>

L'interaction effective entre les nucléons est un ingrédient essentiel des<br />calculs microscopiques de structure nucléaire. L'une des formes utilisée<br />depuis les années 1970 est la force effective phénoménologique proposée par<br />D. Gogny. Cette force donne d'excellents résultats dans les noyaux à<br />l'approximation du champ moyen. La présence de composantes de contact ne<br />permet pas cependant de l'employer en toute généralité pour décrire les<br />corrélations au-delà du champ moyen qui se manifestent fréquemment dans les <br />noyaux.<br /><br />Dans ce travail, nous étudions des extensions de la force de Gogny, notamment<br />une généralisation où le terme dépendant de la densité de portée nulle est<br />remplacé par un terme de portée finie. Les paramètres intervenant dans la forme<br />analytique de la force sont ajustés sur les propriétés de la matière nucléaire<br />infinie symétrique et de la matière neutronique, et sur les observables globales<br />de quelques noyaux stables, en particulier celles associées aux corrélations<br />d'appariement. Nous présentons la méthode permettant d'inclure ce type de<br />force dans les codes de calcul Hartree-Fock-Bogoliubov et nous analysons les<br />résultats obtenus dans de nombreux noyaux. Les nouvelles versions de la force<br />de Gogny apparaissent reproduire la structure nucléaire avec une qualité égale<br />ou supérieure à la version traditionnelle.

In this thesis we employ various mean-field approaches to study the shortrange interaction effects in topological insulators. We start with the Kane-Mele model on the decorated honeycomb lattice and study the stability of topological insulator phase against different perturbations. We establish an adiabatic connection between a noninteracting topological insulator and a strongly interacting spin liquid in its Majorana fermion representation. We use the Hartree-Fock mean-field approach, slave-rotor approach and slave-boson approach to study correlation effects related to topological insulators. With the spontaneous symmetry breaking mechanism, we can have an interaction driven topological insulator with extended Hubbard models on the kagome lattice and decorated honeycomb lattice. For the interplay among spin-orbit coupling, distortion and correlation effect in transition metal oxides, we use the slave-rotor mean-field approach to study its phase transition. We identify regimes where a strong topological Mott insulator and a weak topological insulator reside due to the strong Coulomb interaction and distortion. This is relevant to experiments with the transition metal oxides as they hold promise to realize topological insulators. To study the doping effects and a possible spin liquid in Kane-Mele-Hubbard model on the honeycomb lattice, we employ the slave-boson mean-field approach which is appropriate for the intermediate interaction strength. We compare our results with those obtained from other methods. / text

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