Les méthodes classiques dans l'étude de la dynamique de réseau, comme la diffusion inélastique des neutrons et des rayons X, sont et vont rester limitées en flux. En conséquence les mesures sont coûteuse en temps. Pour optimiser le rendement de ces techniques, la stratégie de mesure doit être préparée avant l'expérience. Cette stratégie peut être élaborée et optimisé par des calculs de la dynamique de réseau et de la diffusion diffuse. La mesure de la diffusion diffuse thermique est une expérience simple où les régions étendues dans l'espace réciproque peuvent être explorées rapidement et en détails, ce qui permet d'identifier les caractéristiques dans la dynamique de réseau. Une méthode spectroscopique peut être appliquée ensuite sur les régions d'intérêt donnant accès à l'énergie et à l'intensité des vibrations individuelles. Dans certains cas, la diffusion diffuse thermique devient tellement contraignante pour les calculs de la dynamique de réseau (quasi)harmonique, que l'expérience de diffusion inélastique n'est plus un ingrédient nécessaire dans la reconstruction d'une image cohérente de la dynamique. Dans le cadre de ce travail la combinaison des techniques utilisant la diffusion thermique, la diffusion inélastique des rayons X et les calculs réalisés à partir des premiers principes ab initio est proposée pour l'étude de la dynamique de réseau de monocristaux. Les intensités de diffusion diffuse ainsi que les spectres inélastiques observés sont comparés à ceux calculés ab initio. Ces techniques combinées donnent accès à la description complète de la dynamique de réseau en approximation harmonique, et fournissent des informations supplémentaires précieuses. Le lecteur sera initié au formalisme de la dynamique de réseau et à celui de la diffusion inélastique et thermique. Les méthodes de calculs des propriétés vibrationnelles issues des calculs ab initio vont être introduites suivant un ensemble d'étapes menant à la convergence et donc à la validation de l'ensemble des calculs. Les techniques expérimentales utilisées tout au long de cette étude ainsi que les nouvelles possibilités s'ouvrant désormais grâce aux études combinées, serons présentées. La méthodologie sera illustrée par plusieurs systèmes de référence. Dans le cadre des systèmes à liaisons covalentes, deux polymorphes de silice - coésite et cristobalite - sont à l'étude. Les calculs expérimentaux validés sont utilisés pour l'étude des vecteurs propres, des valeurs propres et de leur contributions a la densité d'états vibrationnels (partiel et total). La comparaison avec le polymorphe de silice le plus abondant - alpha-quartz - et l'oxide de germanium en structure de alpha-quartz - révèle des ressemblances et des différences distinctes dans les propriétés vibrationnelles à basse énergie. Les polymorphes d'étain ont été choisis pour étudier l'impact du sous-système électronique sur les interactions inter-ioniques et la dynamique de réseau de monocristaux. L'étain manifeste des propriétés structurelles intéressantes, et une surface de Fermi relativement complexe. On observe une asymétrie inhabituelle au niveau de la diffusion diffuse, propriété qui peut s'expliquer dans le cadre d'une approximation harmonique de la dynamique de réseau. Enfin, la méthode élaborée est appliquée à de la glace, ce qui démontre non seulement une diffusion thermique caractéristique mais également des contributions statiques provenant du désordre de l'hydrogène. La méthodologie proposée fournit un outil puissant pour l'étude de la dynamique de réseau et sera applicable à une large variété de systèmes. Les études peuvent être étendues à des conditions extrêmes impliquant de très hautes pressions et une large gamme de températures. Cette méthodologie peut également être utilisée pour étudier les propriétés localisées de vibrations atomiques dans les systèmes avec des symétries brisées, par exemple des systèmes avec du désordre ou des effets topologiques. / The classical methods in the study of lattice dynamics, such as inelastic neutron and x-ray scattering, are and will remain flux-limited, consequently the measurements are time consuming. To maximise the yield of these techniques, measurement strategies need to be established prior to the experiment. These strategies can be elaborated and optimised by lattice dynamics calculations and thermal diffuse scattering. Measuring thermal diffuse scattering is a simple experiment where extended regions of reciprocal space can be rapidly explored in detail and characteristic features of the lattice dynamics identified. Slower spectroscopy measurements can then be applied on the selected regions of interest to gain access to the energy and intensity of individual vibrations. Moreover, in some cases the input of thermal diffuse scattering may become so constraining for the (quasi)harmonic lattice dynamic calculation, that inelastic scattering experiment will not be a necessary ingredient for the recovery of a self-consistent picture of the dynamics. In the frame of this work, the combination of thermal diffuse scattering, inelastic x-ray scattering and lattice dynamics calculations from first principles ab initio is applied to study the lattice dynamics of single crystals. Both diffuse scattering intensities and inelastic spectra determined by experiment are compared to the ones calculated ab initio. The combination of these three techniques gives access to the full lattice dynamics in the harmonic description and permits valuable new insights into the vibrational properties. The reader will be introduced to the key formalism of lattice dynamics, inelastic and thermal diffuse scattering. Methods for the calculation of vibrational properties from first principles are discussed, followed by a guideline for well converged calculations. The experimental techniques used in this work are presented and new possibilities for combined studies examined. The methodology is illustrated for several benchmark systems. Two silica polymorphs - coesite and alpha-cristobalite – were chosen as examples for covalent systems and investigated in detail. The experimentally validated calculation was used for the analysis of eigenvectors and eigenvalues of different modes, and their contribution to the total and partial density of vibrational states. Comparison with the most abundant silica polymorph - alpha-quartz - and germanium oxide in alpha-quartz structure reveals distinct similarities and differences in the low-energy vibrational properties. Metallic tin polymorphs were chosen to study the influence of the electron subsystem on inter-ionic interactions and the lattice dynamics. Tin exhibits both interesting structural properties and a complex Fermi surface. An unusual asymmetry of thermal diffuse scattering is observed which can be explained within the frame of harmonic lattice dynamics. Finally, the established method is applied to ice which exhibits not only characteristic thermal diffuse scattering but also static contributions from the hydrogen disorder. The methodology proposed in the present work provides a powerful tool in the study of lattice dynamics and will be applicable to a large variety of systems. The studies can be extended to extreme conditions involving very high pressures and a large temperature range. It may be also used to study localised properties of atomic vibrations in systems with broken symmetries, e.g. disorder or surface effects.

In this thesis, two studies of the diffractive phenomena in the electron proton collisions with the H1 detector at HERA are presented.<p>The first is the study of the inclusive elastic diffractive events $ep \ / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La majorité des études structurales sur l’ADN avaient été réalisées par diffraction sur des fibres tandis que ses propriétés dynamiques thermiques avaient été étudiées en solution. Lorsque la double hélice d’ADN est chauffée elle présente des séparations locales des deux brins, dont la taille augmente avec la température jusqu’à la séparation complète des brins. Ce travail étudie différents aspects de ce phénomène. Les expériences présentées dans cette thèse ont été réalisées sur des films formés de fibres orientées d’ADN préparés par la méthode du ”filage humide“. La préparation et la caractérisation des échantillons en deux formes A et B de l’ADN ont constitué une partie importante de la recherche. Une méthode pour éliminer la contamination résiduelle de la forme B dans les échantillons de forme A a été mise au point. La bonne orientation des molécules d’ADN dans les échantillons nous a permis d’étudier les fluctuations dynamiques et la transition de dénaturation thermique de l’ADN par diffraction de neutrons, sensibles à la longueur de corrélation statique le long de la molécule en fonction de la température. La transition a été étudiée pour les formes A et B pour déterminer comment elle dépend de la conformation. De plus, après la première dénaturation thermique, les films d’ADN présentent un comportement typique d’un verre. Leur relaxation thermique a été étudiée par calorimétrie. La diffusion inélastique de neutrons et de rayons X (INS et IXS) avaient été utilisées antérieurement pour mesurer les phonons longitudinaux dans des fibres d’ADN, avec des désaccords entre les résultats. Des mesures INS récentes, complétées par des simulations, avaient été cruciales pour comprendre les différentes courbes de dispersion observées. Nous avons mené des expériences INS et IXS pour poursuivre cette analyse. Des tentatives pour observer les mouvements transversaux associés à la dénaturation thermique de l’ADN, jamais observés expérimentalement, ont également été faites. / The majority of structural studies on DNA have been carried out using fibre diffraction, while studies of its dynamics and thermal behaviour have been mainly performed in solution. When the DNA double helix is heated, it exhibits local separation of the two strands that grow in size with temperature and lead to their complete separation. This work has investigated various aspects of this phenomenon. The experiments reported in this thesis were carried out on films of oriented fibres of DNA prepared with the Wet Spinning Apparatus. Thus, sample preparation and characterisation are essential parts of the research. The structures of two forms of DNA, A and B, have been explored as a function of relative humidity at fixed ionic conditions. A method to eliminate traces of ever-present B-form contamination in A-form samples was established. The high orientation of the DNA molecules within the samples allowed us to investigate dynamical fluctuations and the melting transition of DNA using neutron scattering, which can provide the spatial information crucial to understand a phase transition, probing the static correlation length along the molecule as a function of temperature. The transition has been investigated for A and B-forms in order to understand its dependence on molecular configuration.Furthermore, after the first melting, denatured DNA films show typical glass behaviour. Their thermal relaxation has been explored using calorimetry.Neutron and X-ray inelastic scattering (INS and IXS) were used in the past to measure longitudinal phonons in fibre DNA, and the results shown disagreement. Recent INS measurements supported with phonon simulations have been crucial to understand the different dispersion curves reported to date. Experiments using INS and IXS have been carried out to continue with this investigation. Attempts to observe the transverse fluctuations associated to the thermal denaturing of DNA, never experimentally investigated before, have been made.

Cette thèse présente un travail relatif à l'étude de la structure en spin longitudinal du nucléon. Le but est de déterminer la contribution des constituants du proton, quarks et gluons, à la formation de son spin 1/2. L'analyse s'appuie sur les données de l'expérience COMPASS qui bénéficie d'un faisceau de muons polarisés à 200 GeV diffusé sur les protons polarisés d'une cible d'ammoniac (NH₃) de 1,2 m de long. On mesure l'asymétrie de spin longitudinal des sections efficaces de diffusion profondément inélastique. On extrait la fonction de structure en spin du proton, g₁p, étendant la couverture cinématique mondiale à des régions inexplorées jusqu'à maintenant (0,0036 < x < 0,57; 1,03 < Q² (GeV/c)² < 96 et 23 < W² (GeV/c)² < 320). Les résultats, d'une grande précision statistique, sont inclus dans une analyse des données mondiales de g₁p, g₁d et g₁n (proton, deutéron et neutron) au 2ème ordre de QCD afin de paramétrer les distributions de quarks et de gluons polarisés. L'étendue de la couverture cinématique en x et Q² des données mondiales de g₁, un élément déterminant pour la sensibilité à la polarisation des gluons ΔG, s'avère trop limitée pour constituer une extraction précise de celle-Ci. Néanmoins, l'analyse QCD permet de déterminer la contribution du spin des quarks au spin du proton à 0.26<ΔΣ<0.33 à Q² = 3 (GeV/c)² dans le schéma MSbar. L'étude montre que l'incertitude principale sur ΔΣ est liée au choix des formes fonctionnelles utilisées dans la régression des données. Enfin, la règle de somme de Bjorken, qui constitue un test de QCD, est vérifiée avec une précision de 9% en utilisant les données de COMPASS uniquement. / The work presented in this thesis is related to the study of the longitudinal spin structure of the nucleon. The aim is to determine the contribution to the spin 1/2 of the proton in terms of its constituents, quarks and gluons. The analysis is performed on the data taken with the COMPASS experiment, which benefits from a polarised muon beam at 200 GeV scattered off polarised protons from an ammonia target of 1.2 m long. The double longitudinal spin asymmetry of deep inelastic scattering cross-Section. The spin-Dependent structure function of the proton g₁p is derived from these measurements, which extend the kinematic world coverage to unexplored region so far (0,0036 < x< 0,57; 1,03 < Q² (GeV/c)² < 96 and 23 < W² (GeV/c)² < 320).The results obtained with a high statistical precision are included in a Next-To-Leading order QCD analysis of world g₁p, g₁d and g₁n (proton, deuteron and neutron) data to parametrise the polarised quark and gluon distributions. The g₁ world coverage of the x and Q² kinematic domain, which is a key point in the sensitivity to the gluon polarisation ΔG, turns out to be too limited for an accurate ΔG determination. Nevertheless, the QCD analysis allows to determine the quark spin contributions to the proton spin to 0.26<ΔΣ<0.33 at Q² = 3 (GeV/c)² in the MSbar scheme. The dominant uncertainty on ΔΣ is related to the choice of functional forms assumed in the fit. Finally, the Bjorken sum rule, which constitutes a fundamental test of QCD, is verified on the COMPASS data alone with a precision of 9%.

Ce manuscrit présente l'utilisation de l'analyse de polarisation sphérique dans le cadre de la diffusion inélastique<br />des neutrons polarisés. Cette méthode d'analyse permet d'accéder à de fonctions de corrélation<br />de paire dynamiques non-triviales mettant en jeu des degrés de liberté structuraux et des degrés de liberté<br />magnétiques. Pour appliquer cette méthode d'analyse en inélastique, nous avons utilisé une version optimisée du<br />dispositif CRYOPAD (Cryogenic Polarisation Analysis Device) dont nous présentons une méthode de calibration<br />améliorée.<br />Pour illustrer l'intérêt de ce type d'analyse, nous avons étudié deux systèmes modèles présentant un magnétisme<br />de basse dimension : un système de spins planaires BaCo2(AsO4)2 et un système présentant des chaînes<br />et des échelles de spins Sr14Cu24O41. L'analyse de polarisation sphérique élastique et inélastique sur le composé<br />BaCo2(AsO4)2 nous a permis de déterminer sa structure magnétique à basse température et de comprendre la<br />nature de ses excitations magnétiques. Dans Sr14Cu24O41, nous avons mis en évidence une anisotropie entre les<br />fonctions de corrélation de paire dynamiques pour les composantes magnétiques dans et hors du plan, à la fois pour<br />les systèmes de chaînes et d'échelles. De plus, l'étude du spectre inélastique du système de chaînes sous champ<br />magnétique nous a permis de mieux comprendre la chiralité dynamique associée aux deux types de précession<br />"clockwise" et "anti-clockwise" d'un sytème triplet sous champ magnétique.

Les alliages métalliques complexes sont des matériaux qui présentent un ordre à longue distance caractérisé par de grandes mailles comprenant plusieurs centaines d’atomes disposés en clusters. Une propriété caractéristique des CMAs est une conductivité thermique de réseau, dû aux phonons, très faible (~1.3 W/m.K), ce qui donne un intérêt pour leur utilisation comme thermoélectriques. Malgré de récentes avancées sur les connaissances de leurs structures, la nature des modes de vibrations des phonons dans ces réseaux restent une question ouverte : quel est le rôle des clusters ? Est-ce qu’il y a des modes critiques ? Pour répondre à cette problématique, mon projet de thèse a eu pour objectif de comprendre la nature des modes de vibrations à l’échelle atomique et la relation avec la conductivité thermique de réseau sur deux systèmes : la phase o-Al13Co4 qui est un approximant de la phase décagonale AlNiCo et le clathrate Ba8Ge40.3Au5.25, présentant des propriétés thermoélectriques. Mes investigations combinent des expériences de diffusion inélastiques des neutrons et des rayons-X et des simulations à l’échelle atomique.Une analyse détaillée des résultats expérimentaux obtenus par diffusion inélastique sur monocristaux pour les branches acoustiques a permis de mettre en évidence, pour la première fois, un temps de vie fini des phonons acoustiques lorsqu’ils interagissent avec les modes de basses énergies liés aux atomes dans les clusters. Pour les deux systèmes étudiés, nous observons que la branche acoustique n’est plus linéaire et le temps de vie des phonons acoustiques est réduit à quelques picosecondes. Ce faible temps de vie dépend peu de la température comme la conductivité thermique. Les simulations à l’échelle atomique, en utilisant des calculs DFT et des potentiels de pairs oscillants pour des simulations de dynamique moléculaire, ont permis de montrer que ce temps de vie est un effet anharmonique lié au désordre de structure. Les simulations confirment la faible dépendance en température de ce temps de vie. Dans o-Al13Co4, nous avons calculé la conductivité thermique avec la dynamique moléculaire et la méthode de Green-Kubo. Pour Ba8Ge40.3Au5.25 nous avons appliqué un modèle phénoménologique pour l’estimer en utilisant les résultats INS. En conclusion nous démontrons les effets de la complexité structurale sur la conductivité thermique en lien avec la dynamique de réseau. / Complex metallic alloys are long range ordered materials, characterized by large cells, comprising several hundreds of atoms and cluster building blocks. A key property of CMAs is the low lattice thermal conductivity (1.3 W/m. K), which suggests a potential application for CMAs for thermoelectricity. Despite recent advances structure determination, the nature of the phonons modes remains an open question: do the clusters playing a role? Are there critical modes? To tackle this problem, my PhD project aims to understand the vibrational modes at atomic scale and the relation to lattice thermal conductivity in o-Al13Co4 which is an approximant of the quasicrystal, decagonal phase AlNiCo and the clathrate Ba8Ge40.3Au5.25. In this worked we have used Inelastic Neutron and X-ray Scattering experiments and atomic scale simulations, based on density functional theory and empirical pair potentials.A detailed analysis of the results of inelastic scattering experiments on monocrystals for the acoustic branches have shown, for the first time, a finite lifetime for acoustic phonons when they interact with the low-lying dispersion-less excitations due to atoms in the cluster. In both systems, we observe that when an acoustic branch flattens near the zone boundary, the phonon lifetime is a few picoseconds. The phonon lifetime is approximately independent of temperature like the lattice thermal conductivity. Lattice and molecular dynamics simulations with DFT and empirical, oscillating pair potentials show that the finite phonon lifetime is an anharmonic effect, due to structural disorder, explaining the weak temperature of the phonon lifetime. For o-Al13Co4, we have calculated the thermal conductivity with the Green-Kubo method based on equilibrium MD simulations. For Ba8Ge40.3Au5.25 we have developed a phenomenological model based on individual phonon modes. In conclusion, we have demonstrated how structural complexity affects thermal conductivity through the lattice dynamics.

La Spectroscopie par Effet Tunnel Inélastique (IETS) avec un Microscope à Effet Tunnel (STM) est une nouvelle technique de spectroscopie vibrationnelle, qui permet de caractériser des propriétés très fines de molécules adsorbées sur des surfaces métalliques. Des règles de selection d’excitation vibrationnelle basées sur la symétrie ont été proposées, cependant, elles ne semblent pas exhaustives pour expliquer la totalité du mécanisme et des facteurs en jeu; elles ne sont pas directement transposables pour les propriétés d'un adsorbat et sont lourdes d'utilisation. Le but de cette thèse est donc d'améliorer ces règles de selection par une étude théorique. Un protocole de simulation de l'IETS a été développé, paramétré, et évalué, puis appliqué pour calculer des spectres IETS pour différentes petites molécules, qui sont systématiquement liées, sur une surface de cuivre. Des principes additifs de l'IETS ont été developpés, notamment concernant l’extension dans le vide de l’état de tunnel, l'activation/ quench sélectif de certains modes du aux propriétés électroniques de certains fragments moléculaires, et l'application de certaines règles d'addition de signaux IETS. De plus, des empreintes vibrationnelles par des signaux IETS ont été determinées pour permettre de différentier entre les orientations des adsorbats, la nature chimique des atomes et les isomères de structures. Une stratégie simple utilisant les propriétés de distribution de la densité électronique de la molécule isolée pour prédire les activités IETS sans des couts importants de calculs a aussi été développée. Cette expertise a été utilisée pour rationaliser et interpréter les mesures expérimentales des spectres IETS pour des métalloporphyrines et métallophtalocyanines adsorbées. Ces études sont les premières études IETS pour des molécules aussi larges et complexes. L'approche expérimentale a permis de déterminer les limitations actuelles des simulations IETS. Les défauts associés à l'identification ont été résolus en faisant des simulations d'images STM complémentaires. / Inelastic Electron Tunneling Spectroscopy (IETS) with the Scanning Tunneling Microscope (STM) is a novel vibrational spectroscopy technique that permits to characterize very subtle properties of molecules adsorbed on metallic surfaces. Its proposed symmetry-based propensity selection rules, however, fail to fully capture its exact mechanism and influencing factors; are not directly retraceable to an adsorbate property and are cumbersome. In this thesis, a theoretical approach was taken to improve them. An IETS simulation protocol has been developed, parameterized and benchmarked, and consequently used to calculate IETS spectra for a set of systematically related small molecules on copper surfaces. Extending IETS principles were deduced that refer to the tunneling state’s vacuum extension, the selective activating/quenching of certain types of modes due to the moieties’ electronic properties, and the applicability of a sum rule of IETS signals. Also, fingerprinting IETS-signals that enable discrimination between adsorbate orientations, the chemical nature of atoms and structural isomers were determined and a strategy using straightforward electronic density distribution properties of the isolated molecule to predict IETS activity without (large) computational cost was developed. This expertise was used to rationalize and interpret experimentally measured IETS spectra for adsorbed metalloporphyrins and metallophthalocyanines, being the first IETS studies of this large size. This experimental approach permitted to determine the current limitations of IETS-simulations. The associated identification shortcomings were resolved by conducting complementary STM-image simulations.