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Cette thèse présente le développement de méthodes de simulations numériques basées sur la méthode Multi-Configuration Time Dependent Hartree (MCTDH), pour la modélisation de la dynamique quantique d'espèces atomiques et moléculaires dans des agrégats de gaz rares. Nous avons étudié en particulier les effets quantiques dans la dissociation et la section efficace de capture d'agrégats de néon. Nous avons montré que le temps de vie avant dissociation est 1 à 2 ordres de grandeur plus élevé que dans le cas d'une dynamique classique. De plus, la section efficace de capture est légèrement supérieure et moins sensible à l'augmentation de l'énergie interne de l'agrégat dans le cadre de simulations quantiques que classiques. Par ailleurs, nous avons étudié la réponse d'une matrice de néon à la photo-excitation électronique d'une molécule de monoxyde d'azote avec une méthode MCTDH à dimensionalité réduite et une méthode de champ moyen à dimensionalité complète (G-TDH). Ces 2 méthodes sont systématiquement comparées par le biais de différentes observables pour évaluer la validité de la dernière méthode en vue de l'étendre aux cas où une réduction dimensionalité s'avère difficile et des calculs MCTDH sont hors de portée.

We present recent theoretical and methodological explorations on the dynamics of sodium clusters in the framework of Time-Dependent Density Functional Theory (TDDFT), coupled non-adiabatically to Molecular-Dynamics (MD). In particular, a hierarchical approach, in the spirit of Quantum-Mechanical/Molecular-Mechanical methods, has been developed for the description of metal clusters in interaction with a dynamically polarizable substrate, as rare gases or MgO. Numerous examples of application of this approach (Na clusters in or on Ar substrate, Na clusters deposited on MgO; optical response, dynamical deposition, laser irradiation, ...) are reviewed. We also briefly discuss complementing research activities. Formal developments on the Self-Interaction Correction issue in DFT and TDDFT are discussed in a word. We have furthermore extended our TDDFT-MD theory to the case of organic (C, N, O, H made) systems and a few examples of investigated dynamical processes are presented. Recent calculations of photoelectron angular distributions of free metal clusters are reported as well. We finally sketch with some perspectives for the years to come.

In the last years, the progressive miniaturization of magnetic storage devices has imposed the necessity to understand how the physical properties are modi- ed with respect to the bulk when the dimensions are reduced at the nanometric scale. For this reason an accurate method of preparation and characterization of nanostructures is extremely important. This work focuses on the magnetic and transport properties of cluster-assembled nanostructures, namely cobalt nanoparticles embedded in copper matrices. Our setup allows us to independently control the mean cluster size, the concentration and the chemical composition. The cobalt cluster production is based on magnetron sputtering and gas phase aggregation. The performance of the source permits a wide range of cluster masses, from one to several thousand atoms. As a rst step we studied the role of inter-particle interactions in the transport and magnetic properties, increasing the cobalt nanoparticle concentration (from 0.5% to 2.5% and 5%). Our results demonstrate the necessary precautions and constitute a solid basis for further studies of the spintronic properties of granular systems. Finally, in order to describe the intrinsic magnetic properties of cluster-assembled nanostructures, we prepared strongly diluted samples (<0.5%) for di erent cluster sizes from 1.9 nm to 5.5 nm. We found that the magnetic properties are size-dependent. Using a complete magnetic characterization, sensitive to the change in the e ective magnetic anisotropy, we show that the magnetic anisotropy is dominated by the contributions of the surface or of the shape of the nanoparticles.

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L'expérience EDELWEISS a pour but de détecter des WIMPs, particules massives faiblement interactives, qui pourraient composer la matière noire de l'univers. Elle mesure l'énergie libérée lors de la collision élastique d'un WIMP sur un noyau de matière ordinaire. Du fait de sa très faible section efficace d'interaction, qui conduit à un taux d'évènement extrêment bas (<1evt/kg/an) et du fait du faible dépôt d'énergie (<100keV), le signal de recul nucléaire des WIMPs peut être imité par des neutrons de la radioactivité ambiante ou induits par des muons. Cette thèse est dédiée à l'étude du bruit de fond induit par les muons. Les performances du véto muon de l'expérience EDELWEISS-II sont présentées et la détection des muons er de leurs gerbes discutés. Les premières coïncidences entre le véto muon et les bolomètres ont été réalisées sur deux prises de données de 4 mois de 2007 et 2008 et conduisent à un résultat de 0.043+-0.015 coinc/kg/j pour une énergie de recul de ER<250 keV

[pt] Esta dissertação investiga o uso da Programação Genética para otimização estrutural de aglomerados de carbono. O objetivo primordial do estudo de cálculos que descrevam as interações de um aglomerado é encontrar o arranjo de átomos que corresponde à menor energia, ou àqueles que possuem energias próximas, já que estes são os candidatos mais prováveis de serem formados. Recentemente, na área da Inteligência Computacional, estudos apresentaram um novo método de otimização, chamado de Otimização por Programação Genética (OPG), com resultados promissores, avaliados em diversos casos de referência. A partir destes resultados, esta pesquisa aplica, de forma inédita, a abordagem OPG em problemas de otimização estrutural de aglomerados. Para fins de comparação, foram realizadas otimizações independentes utilizando o modelo tradicional de Algoritmos Genéticos (AGs). Neste trabalho, foram realizados vários ensaios computacionais utilizando os métodos OPG e AG para otimizar a geometria, ou seja, encontrar a estrutura de menor energia, de aglomerados de carbono de 5 a 25 átomos. Para o cálculo da energia, foi utilizado o potencial de Morse. Os valores das energias encontrados e as geometrias de cada aglomerado foram comparados com casos já publicados na literatura. Os resultados mostraram que, para os aglomerados menores, os dois métodos foram capazes de encontrar os mínimos globais, mas com o aumento do número de átomos, o OPG apresenta resultados superiores ao AG. Quanto ao tempo de execução por avaliação, o AG se mostrou significativamente mais rápido do que o do OPG, devido à sua representação direta das posições dos átomos, de um aglomerado, em um cromossomo. Porém a superioridade dos resultados OPG em relação ao AG indicou que a melhoria na sua implementação poderá ser de grande utilidade na área de simulação de aglomerados atômicos ou moleculares. / [en] This dissertation investigates the use of Genetic Programming for the structural optimization of carbon clusters. The main objective concerning computations that describe the interactions of a cluster is to find the arrangements of atoms corresponding to the lowest energy, since these are the most likely candidates to be formed. It has been recently introduced in the area of Computational Intelligence a new optimization method, called Optimization by Genetic Programming (OGP), showing promising results for several benchmark cases. Based on these results, the present work aimed at the application of OGP for the geometry optimization of carbon clusters. For comparison purposes, independent optimizations using the standard genetic algorithm (GA) approach were carried out. Several optimization trials were performed using both GA and OGP in order to find the best geometries of carbon clusters with size ranging from 5 to 25 atoms. The energy was calculated using the Morse potential. Resulting energies and geometries were compared to previously published results. Both GA and OGP were able to find the global minimum for the smaller clusters. However, upon increasing the number of atoms, the OGP presented better results compared to the GA. Concerning the execution time for each evaluation, the GA is significantly faster than the OGP due to its direct representation of the positions of atoms of a cluster in a chromosome. However, the superiority of the OGP results compared to the GA results suggests that an effort towards the improvement of the implementation of OGP could lead to a very powerful optimization tool to be used by the scientific community.

Mit zeitaufgelöster Massenspektrometrie untersuchen wir die Winkelverteilung von Kohlendioxid-Monomeren bei der Streuung von Kohlendioxid-Clustern an einer Si(111)/Siliciumdioxid-Oberfläche unter Ultrahochvakuum-Bedingungen. Die präsen- tierten Studien decken eine große Breite der Clustergrößen, , 1,000 < N < 200,000 Moleküle pro Partikel, ab. Dabei liegt der Fokus auf dem Einfluss der Ausgangsentropie, die durch eine präzise Einstellung des Ausgangsdruckes und der Düsentemperatur realisiert wurde. Es zeigt sich, daß die Streuverteilung direkt den Expansionspfad widerspiegelt, wodurch eine Unterscheidung zwischen Clustern, die durch eine Expansion auf der gasförmigen oder flüssigen Seite des kritischen Punktes und der metstabilen Phase ent- stehen, ermöglicht wird. Um bei den hohen Teilchendichten eine verlässliche Aussage zu ermöglichen, wurden im Vorfeld die Eigenschaften gepulster Molekularstrahlen untersucht, insbesondere deren Abhängigkeit vom Restgasdruck und den Wechselwirkungen mit Strahlblenden. Hierzu diente die elektronische Anregung eines Helium-Strahls. Die Optimierung der Randbedingungen ermöglicht viel kältere Strahlen, so dass Helium-Cluster sogar bei einer Ausgangstemperatur von T = 410.0 K gefunden werden können. Dieses Ergebnis ist für die Cluster-Forschung, die Molekülspektroskopie und Experimente in der Quantenphysik von Bedeutung. / Employing pulsed high-pressure supersonic jet expansion and a dedicated setup for the experimental investigation of chemical processes occurring between neutral, van der Waals bound clusters and a solid surface, we report on the angular distribution observed for large carbon dioxide clusters scattered off a Si(111)/Silicon Dioxide surface under ultrahigh vacuum conditions. Scattered particles are detected using angle and time resolved mass spectrometry. The presented studies cover a broad range of cluster sizes, , 1,000 < N < 200,000 molecules per particle. The focus is on the influence of source entropy, realized by accurately setting stagnation pressure and temperature. This thesis demonstrates a dependence of the angular distribution of scattered carbon dioxide monomers on source conditions: the scattering distribution directly reflects the expansion path, allowing us to distinguish between clusters generated via expansion on the gaseous or on the liquid side of the critical point, and an intermediate regime where the expansion passes the metastable gas-liquid region. To optimize the supersonic beam, on the other hand, we reveal a substantial influence of residual gas pressure and beam–skimmer interactions on beam properties, particularly the minimum attainable translational temperature in a model system. This study contains the systematic investigation of supersonic jet expansions of helium, employing the variable distance between the Even-Lavie valve and different types of skimmers. Utilizing the ultra-high precision time-of-flight measurements of electronically tagged particles, the terminal velocities and the spread of particles allow us to correspondingly obtain much colder beams with the same source conditions. As a result, helium clusters can be found even in the jet expansion from a source temperature of T = 410.0 K. This knowledge is of particular interest to cluster science, molecular spectroscopy, and quantum physics.

Durant ces 6 dernières années, ma thématique principale de recherche s'est d'abord focalisée sur l'étude de la stabilité et des processus de fragmentation de fullerènes et des agrégats de fullerènes, puis dans celle de la stabilité et de la réactivité de molécules ou de systèmes d'intérêt biologique.<br />Un des principaux résultats de ces études concerne les agrégats moléculaires de fullerènes, qui sont en principe des agrégats de type van der Waals, donc faiblement liés et surtout électriquement isolants. Nous avons montré que les espèces stables multiplement chargées, formées suite à des collisions avec des ions lents multichargés, qui ne subissent par ailleurs aucune modification structurelle profonde suite à leur chargement par impact d'ions, deviennent contre toutes attentes de bons conducteurs électriques ! <br />Les autres observations majeures obtenues dans ces recherches sont reliées la compréhension des mécanismes responsables à l'échelle moléculaire, en phase gazeuse, de l'endommagement de systèmes moléculaires d'intérêt biologique, suite à une irradiation avec des ions. Ces études ont notamment montré : d'une part, que certains mécanismes de reconnaissance moléculaire persistent en phase gazeuse, et d'autre part, que même la présence d'un environnement biochimique simplifié modifie fortement la dynamique de l'instabilité de la charge de ces molécules d'intérêt biologique.