Orientador: Rogerio Custodio / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-14T14:18:23Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Paschoal_JulianadeLima_M.pdf: 914971 bytes, checksum: 5a3a529f3c0006227e418c9e1629e6a5 (MD5) Previous issue date: 2006 / Resumo: Uma estratégia recente denominada Monte Carlo Quântico (MCQ) permite acessar a função de onda exata de um sistema resolvendo a equação de Schrödinger. Dentre as alternativas de MCQ destacam-se o Monte Carlo Quântico Variacional (MCQV) e o Monte Carlo Quântico de Difusão (MCQD). O MCQV determina o valor médio de qualquer propriedade atômica ou molecular associada a uma função de onda arbitrária empregando o algoritmo de Metropolis. O MCQD, por sua vez, baseia-se na solução da equação de Schrödinger dependente do tempo através de um processo de difusão em equilíbrio com um processo cinético de primeira ordem. Neste trabalho os objetivos são: a) comparar os efeitos de funções de base de Slater com diferentes expoentes nos níveis de teoria do MCQV e MCQD; b) testar funções de onda baseadas no modelo Hartree e Hartree-Fock no MCQV e MCQD e c) avaliar o efeito da localização de orbitais nestes métodos. Esses objetivos foram avaliados em átomos, moléculas diatômicas e alguns hidretos poliatômicos contendo elementos do segundo período da tabela periódica. Inicialmente, usou-se de uma função de onda representada por um determinante de Slater com orbitais obtidos através da combinação linear de funções de Slater através do método Hartree-Fock. Os expoentes do conjunto de base utilizado foram determinados através das Regras de Slater, otimização Hartree-Fock em ambiente molecular e otimizaçãoHartree-Fock em ambiente atômico. O MCQV e o MCQD foram empregados para a obtenção da energia média do sistema. Posteriormente, substituíram-se as funções de Slater por funções STO-6G. Os mesmos expoentes do conjunto de base utilizados nos cálculos com funções de Slater foram empregados para os cálculos STO-6G. Finalmente, utilizou-se o produto de Hartree como função de onda para os cálculos MCQV e MCQD com as funções de base já mencionadas. As principais conclusões desse trabalho são: a) o MCQD, conforme esperado, apresenta menores energias quando comparado ao MCQV; b) Cálculos MCQD usando determinante de Slater, conjunto de base com otimização de expoente para a molécula e átomo e nehum fator de correção forneceu energias comparadas a Gaussianas do tipo double-zeta no método coupled cluster incluindo excitações simples e duplas; c) Funções de base STO-6G devem ser utilizadas com cautela para representar funções STO; d) as energias calculadas através do produto de Hartree apresentam um comportamento que se distancia das funções Hartree-Fock quando orbitais localizados são usados; e) resultados melhores são esperados quando orbitais são auto-consistentes com respeito ao método de Hartree. / Abstract: A recent strategy called Quantum Monte Carlo (QMC) allows to access the exact wave function of a system solving Schrödinger¿s equation. Among the alternatives of QMC, Variational Quantum Monte Carlo (VQMC) and Diffusion Quantum Monte Carlo (DQMC) are distinguished. VQMC determines the average value of any atomic or molecular property associated to an arbitrary wave function using Metropolis algorithm. DQMC, on the other hand, is based on the solution of the time-dependent Schrödinger equation from a diffusion process in equilibrium with a first-order kinetic process. In this work the objectives were: a) to compare the effect of the Slater basis set with exponents adjusted in different environments at the VQMC and DQMC levels of theory; b) to test wave functions based on the Hartree and Hartree-Fock models along with VQMC and DQMC; c) to evaluate the effect of orbital localization within these methods. These objectives are evaluated in atoms, diatomic molecules and some polyatomic hydrates containing elements from the second period of the Periodic Table. Initially, a conventional wave function represented by a single Slater determinant is used with orbitals from the linear combination of Slater¿s functions from the Hartree- Fock method. The basis set exponents are determined from the Slater rules, Hartree-Fock atom optimized and Hartree-Fock molecule optimized. VQMC and DQMC yielded the average energy of each system. Later, Slater¿s functions are changed to the STO-6G basis functions. The same basis set exponents are applied for the STO-6G calculations. Finally, the Hartree product is used as a wave function for the VQMC and DQMC calculations with the same basis functions already mentioned. The main conclusions fro this work are: a) DQMC, as expected, presents lower energies when compared to VQMC; b) DQMC calculations using single Slater determinant and basis set with molecule and atom optimized exponents and no correlation factor provided energies compared to a Gaussian double zeta basis set at the coupled cluster including singles and doubles excitations level of theory; c) STO-6G must be used with caution in order to represent STO functions; d) the energies calculated with the Hartree product presented a behavior not far from the Hartree-Fock wave functions when localized orbitals were used; e) better results are expected if orbitals are self-consistent with respect to the Hartree method. / Mestrado / Físico-Química / Mestre em Química

Diese Arbeit verfolgte das Ziel einer Vertiefung des Grundverständnisses der Chemie vierwertiger Actinide und deren Wechselwirkung mit biologischen Modellsystemen. Dies erfolgte mit Hilfe von modernen quantenchemischen Rechenmethoden anhand der Komplexserien [MCl((S)-PEBA)₃] und [MN₃((S)-PEBA)₃] sowie [M(Salen)₂] (M = Ce, Th, Pa, U, Np, Pu) mit den Komplexbildnern (S,S)-N,N’-Bis(1-phenylethyl)-benzamidinat, kurz (S)-PEBA, und der Schiffschen Base (N,N’)-Bis(salicyliden)-ethylendiamin, kurz Salen. Die Arbeit umfasst im Einzelnen die Analyse der chemischen Bindung zwischen Metall und Ligandatomen basierend auf der Dichtefunktionaltheorie (DFT) sowie die Berechnung angeregter Zustände zur Simulation von elektronischen Absorptionsspektren und der Vergleich mit vorhandenen experimentellen Daten. Actinide können durch Havarien in Kernkraftwerken oder in einem Unfallszenario in einem tiefengeologischen Endlager in die Umwelt gelangen und stellen durch ihre Chemo- und Radiotoxizität eine Gefahr für Mensch und Umwelt dar. Um die Einflüsse der Actiniden auf die Biosphäre einschätzen zu können, ist es daher wichtig die Wechselwirkung zwischen Actiniden und biologischen Systemen zu verstehen. Für einen systematischen Vergleich der Actiniden bzgl. ihrer Wechselwirkung mit Biomolekülen bietet sich eine möglichst lange Serie isostruktureller Verbindungen mit biorelevanten Modellsystemen an. Dies konnte für die Actiniden Th, Pa, U, Np und Pu jeweils im vierwertigen Oxidationszustand in Kombination mit den Liganden (S)-PEBA sowie Salen erreicht werden. Weiterhin wurde auch das Lanthanid Ce untersucht, um nicht nur die Elektronenstruktur entlang der Actinid-Serie zu untersuchen sondern auch 4f- mit 5f-Elementen vergleichen zu können. Für die Untersuchung der Metall-Ligand-Wechselwirkung kam eine große Auswahl moderner Methoden zum Einsatz, welche verschiedene Aspekte der chemischen Bindung beleuchten. Dies umfasste qualitative Methoden, wie die Visualisierung von Elektronendichtedifferenzen und nicht-kovalenten Wechselwirkungen, sowie quantitative Methoden, wie die Quantentheorie der Atome in Molekülen (QTAIM), die Interacting Quantum Atoms (IQA) und die natürliche Populationsanalyse (NPA). Im Falle der PEBA-Serien wurde eine hauptsächlich ionische M−N-Bindung zwischen Metall und Ligand beobachtet, da sowohl experimentell als auch quantenchemisch bestimmte Bindungslängen im Wesentlichen den ionischen Radien der beteiligten Elemente folgten. Dennoch konnte ein kovalenter Anteil gezeigt werden, welcher durch die sterischen Wechselwirkungen zwischen den PEBA-Liganden überdeckt wird und damit experimentell nicht beobachtet wurde. Entlang der Serie zeigte Th die am stärksten ionische Bindung. Selbst der jeweilige Ce-Komplex wies eine kovalentere Bindung zu den Liganden auf. U, Np und Pu bildeten Bindungen mit dem höchsten kovalenten Anteil aus, welcher sich jedoch in der Beteiligung der d- und f-Orbitale unterschied. Die Besetzung der 6d-Orbitale war für U am höchsten, wohingegen der f-Überschuss (5f + 6f) von U zu Pu konstant blieb. Die Bindungen ausgehend von Pu besitzen also stärkeren „f-Charakter“. In der Serie der [M(Salen)₂]-Komplexe konnte neben den Vergleichen der Metalle auch der Vergleich zwischen M−N- und M−O-Bindungen durchgeführt werden. Sämtliche eingesetzte Analyse-Methoden zeigten hierbei eine weitaus kovalentere Bindung der Metalle zu O als zu N. Dies zeigte sich anhand kürzerer M−O-Bindungen sowie einer starken Polarisierung des freien Elektronenpaars am O, was für die kovalente Bindung genutzt wird. Alle Bindungen in dieser Serie zeigten allerdings auch hier grundsätzlich einen überwiegend ionischen Bindungscharakter. Entlang der Serie konnte abermals Th als das Metall mit der ionischsten Bindung identifiziert werden. Darauf folgen Ce und Pu, welche durch ihre geringe Größe eine stark elektronenziehende Wirkung auf die Elektronendichte der Liganden besitzen, welche lokalisiert und damit für die chemische Bindung nicht mehr verfügbar sind. Pa, U und Np zeigten einen vergleichbar hohen kovalenten Charakter, wobei die jeweilige Lage des Maximums von der angelegten Methode abhängt. Die Energien der angeregten Zustände von Pa⁴⁺ , U⁴⁺ und ihren jeweiligen oktaedrischen Cl- und F-Komplexen konnten mit Hilfe einer Methodenkombination basierend auf der Complete Active Space Self Consistent Field Methode (CASSCF) mit hoher Genauigkeit berechnet und gruppentheoretisch analysiert werden. Es zeigte sich ein starker Einfluss der chemischen Umgebung auf die Energien der angeregten Zustände. Ebenso sorgte die Spin-Bahn-Kopplung für eine sehr starke Mischung angeregter Terme (teilweise über 50 %). Diese Erkenntnisse wurden genutzt, um die elektronischen Absorptionsspektren von [An(Salen)₂] (An = Pa, U, Np, Pu) zu berechnen und eine Bandenzuordnung vorzunehmen. Hierbei wurde eine sehr gute Übereinstimmung mit experimentellen Spektren bereits für kleine Basissätze und aktive Räume beobachtet. DMRG-Berechnungen konnten dabei helfen, die statische Korrelation in den Komplexen offenzulegen und erweiterte aktive Räume zu definieren, die neben den f-Orbitalen auch σ- und π-Orbitale der Stickstoffe beinhalten und ein hohes Potenzial zur Verbesserung der Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment besitzen. Diese Art der Analyse der Wellenfunktion erwies sich als wertvolles Werkzeug für hochgenaue Berechnungen elektronischer Parameter. Die Ergebnisse der in dieser Arbeit durchgeführten chemischen Bindungsanalyse sowie die Berechnungen spektraler Parameter in Kombination mit experimentellen Befunden leisten einen großen Beitrag für das grundlegende Verständnis der elektronischen Struktur der Actinide. Mit diesen Daten können potenzielle Einflüsse der Actiniden auf die Biosphäre besser verstanden und vorhergesagt werden. Auf der anderen Seite wird auch aufgezeigt, dass die Actinidenchemie noch am Anfang einer äußerst interessanten Forschung steht. Laborexperimente können nur unter besonderen Sicherheitsvorkehrungen und damit nicht in jedem Labor durchgeführt werden. Gleichzeitig sind hochgenaue quantenchemische Berechnungen an Actiniden noch nicht routinemäßig möglich, erfahren aber stetig neue Entwicklungen. Durch den Vergleich der Berechnungen mit den Laborergebnissen konnte gezeigt werden, dass die verwendeten Methodenkombinationen, insbesondere die der Multireferenzberechnungen, hohes Potenzial für quantitative Berechnungen elektronischer, elektrischer und magnetischer Eigenschaften besitzen.

<p> In Part I the one-electron charge distribution in the water molecule is obtained by demanding that this distribution balance the nuclear forces of repulsion and reproduce the observed dipole moment. Parameters contained in the molecular orbital description are then related to such concepts as hybridisation and bond polarities. </p> <p> In Part II the electronic forces of attraction and the one-electron charge distribution, calculated from near Hartree-Fock wave functions, are used to interpret the binding in the first-row diatomic hydrides. </p> / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD)

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Made available in DSpace on 2016-04-28T14:16:34Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Douglas Guilherme Schmidt.pdf: 995968 bytes, checksum: 1a8192151fc433a54ec422f421249ac4 (MD5) Previous issue date: 2008-09-15 / Secretaria da Educação do Estado de São Paulo / This historical research analyses the initial period of construction of wave mechanics, as propounded by the Austrian physicist Erwin Schrödinger (1887- 1961), emphasizing his work from December 1925 to February 1926. During these months Schrödinger created the basis of his quantum theory and wrote his two earlier papers on this subject. They were published in the Annalen der Physik. The present dissertation analyses those two papers, and some of their precedents and immediate consequences. Special attention is given to the influence of the theory of matter waves of the French physicist Louis de Broglie (1892-1987) upon the development of Schrödinger s theory, as well as other works and relevant circumstances that contributed to the creation of wave mechanics. The dissertation also discusses the interpretation given by Schrödinger to his own theory, comparing it to the approach of other physicists of that time / O presente trabalho histórico investiga a fase inicial da construção da mecânica ondulatória formulada pelo físico austríaco Erwin Schrödinger (1887- 1961), dando especial atenção aos trabalhos por ele realizados de dezembro de 1925 até fevereiro de 1926. Nesse período, Schrödinger concebeu as bases de sua teoria quântica e redigiu os dois primeiros artigos sobre o assunto, publicados na revista Annalen der Physik. Esta dissertação analisa esses dois artigos, bem como alguns de seus precedentes e repercussões. É analisada em especial a influência da teoria de ondas de matéria do físico francês Louis de Broglie (1892- 1987) no desenvolvimento da teoria de Schrödinger, bem como outros trabalhos e circunstâncias importantes que contribuíram para a elaboração da mecânica ondulatória. Discute-se também a interpretação que o próprio Schrödinger deu à sua teoria, comparando-a com o enfoque adotado por outros físicos da época

Les recherches menées dans le cadre de cette thèse avaient un double objectif. Premièrement, le développement d’une nouvelle méthode de chimie quantique à croissance linéaire basée sur le concept d’Orbitales Moléculaires Extrêmement Localisées (ELMOs) et adaptée à l’étude de très gros systèmes moléculaires. Deuxièmement, il s’agit d’évaluer le potentiel des méthodes de calcul utilisant de fonctions d’ondes contraintes et leur capacité à reproduire des données de diffraction aux rayons-X. En ce qui concerne le premier objectif, notre approche se base sur le principe de transférabilité, à savoir l’observation que les systèmes moléculaires sont composés par des unités fonctionnelles récurrentes qui conservent leurs caractéristiques lorsqu’elles se trouvent dans un même environnement chimique. Malheureusement, les orbitales moléculaires traditionnellement employées en chimie théorique dans des modèles de particule indépendante (Hartree-Fock, Kohn-Sham) sont complètement délocalisées sur le système étudié et, par conséquent, ne peuvent pas être transférées d’une molécule à une autre. Ce problème peut être résolu en ayant recours à des orbitales moléculaires déterminées de manière variationnelle sous la contrainte d’être exprimées à partir des fonctions de base centrées sur des atomes de fragments présélectionnés : les ELMOs. En fait, puisqu’elles sont strictement localisées, ces orbitales sont en principe transférables d’une molécule à une autre. L’objectif à terme est d’exploiter cette transférabilité en construisant une base de données d’ELMOs permettant de calculer quasiment instantanément, de manière approximative, des fonctions d’ondes et des densités électroniques de macromolécules. Dans la première partie de cette thèse, nous avons évalué le degré de transférabilité des orbitales moléculaires extrêmement localisées et nous avons proposé une approximation appropriée pour les molécules modèles servant à la détermination des ELMOs qui seront stockées dans la future base de données. Nous avons également comparé la transférabilité des ELMOs avec celle de densités électroniques atomiques asphériques (pseudo-atomes) qui sont largement répandues en cristallographie pour le raffinement de structure cristallographique de grands systèmes. La seconde partie de la thèse se focalise sur les méthodes quantiques utilisant des fonctions d’ondes contraintes. Dans ces méthodes, on cherche à déterminer des fonctions d’ondes qui minimisent l’énergie électronique des systèmes étudiés, mais qui en même temps doivent reproduire un jeu d’amplitudes de facteurs de structure expérimentaux. Cette technique, initialement proposée par Jayatilaka, a récemment été étendue à la théorie des orbitales moléculaires extrêmement localisées. Dans ce contexte, nous avons tout d’abord étudié les effets d’une localisation stricte sur la structure électronique dans des calculs de la fonction d’onde contrainte. Puis, nous avons déterminé si la fonction d’onde contrainte (et la densité associée) est capable de capturer des effets de la corrélation électronique. Enfin, en utilisant une nouvelle technique dite Valence Bond "expérimentale", basée sur les ELMOs, nous avons effectué une étude théorique sur le syn-1,6:8,13- Biscarbonyl[14] annulène (BCA) pour expliquer la rupture partielle de son aromaticité à haute pression observée expérimentalement. Cette dernière étude illustre positivement la potentialité du concept d’orbitale moléculaire strictement localisée en chimie quantique, qui ouvre des perspectives très larges notamment pour l’étude statique ou dynamique de systèmes moléculaires complexes. / The goal of the present work was dual. At first, this thesis aimed at proposing new lin- ear scaling quantum chemistry methods based on Extremely Localized Molecular Orbitals (ELMOs) and, secondly, it focused on the assessment of the capabilities of the X-ray con- strained wave function approaches. Concerning the first target, our approach is based on the transferability principle, namely the observation that molecular systems are composed by recurrent functional units that generally keep their features when they are in a similar chemical environment. In this context, it is possible to take advantage of the intrinsic trans- ferability of molecular orbitals strictly localized on small molecular subunits to recover wave functions and electron densities of large systems. Unfortunately, the molecular or- bitals traditionally used in quantum chemistry are completely delocalized on the system in exam and, therefore, are not transferable from a molecule to another. This problem can be solved only considering molecular orbitals variationally determined under the constraint of expanding them on local basis sets associated with pre-determined molecular fragments: the ELMOs. In fact, since they are strictly localized, these orbitals are in principle transfer- able from molecule to molecule and our final goal is to construct databanks of ELMOs that will enable to recover almost instantaneously approximate wave functions and electron densities of macromolecules at a very low computational cost. In the first part of this the- sis, we have evaluated the transferability of the Extremely Localized Molecular Orbitals and we have defined a suitable model molecule approximation for the computation of the ELMOs to be stored in the future databases. We have also compared the transferability of the ELMOs to the one of the aspherical atomic electron densities (pseudoatoms), which are largely used in crystallography to refine crystallographic structures of large systems. The second part of this work focuses on the X-ray constrained wave function approach. This method consists in determining wave functions that not only minimize the electronic energy of the systems under exam, but that also reproduce sets of experimental structure factor amplitudes within a desired accuracy. The technique, initially proposed by Jayatilaka has been recently extended to the theory of the Extremely Localized Molecular Orbitals. In this context, we have first studied the effects of introducing a strict a priori localization on the electronic structure in X-ray constrained wave function calculations. Then, we have determined if the X-ray constrained wave function is intrinsically able to capture the elec- tron correlation effects on the electron densities. Finally, also exploiting a novel X-ray con- strained ELMO-based Valence Bond technique, we have reported theoretical studies on the syn-1,6:8,13-Biscarbonyl[14] annulene (BCA) to explain the partial rupture of the aromatic character of the molecule occurring at high-pressure

<p>Noble metal nanostructures display collective oscillation of the surface conduction electrons upon light irradiation as a form of localized surface plasmon resonance (LSPR) properties. Size, shape and the refractive index of surrounding environment are the key features that controls the LSPR properties. Surface passivating ligands have the ability to modify the charge density of nanostructures to allow resonant wavelength to match that of the incident light, a phenomenon called “plasmoelectric effect,”. According to the drude model Red and blue shifts of LSPR peak of nanostructures are observed in the event of reducing and increasing charge density, respectively. However, herein we report unusual LSPR properties of gold triangular nanoprisms (Au TNPs) upon functionalization with para-substituted thiophenols (X-Ph-SH, X = -NH₂, -OCH₃, -CH₃, -H, -Cl, -CF₃, and -NO₂). Accordingly, we hypothesized that an appropriate energy level alignment between the Au Fermi energy and the HOMO or LUMO of ligands allows delocalization of surface plasmon excitation at the hybrid inorganic-organic interface, and thus provides a thermodynamically driven plasmoelectric effect. We further validated our hypothesis by calculating the HOMO and LUMO levels and also work function changes of Au TNPs upon functionalization with para substituted thiol. We further utilized our unique finding to design ultrasensitive plasmonic substrate for biosensing of cancer microRNA in bladder cancer and owe to unpresidential sensitivity of the developed Au TNPs based LSPR sensor, for the first time we have been utilized to analysis the tumor suppressor microRNA for more accurate diagnosis of BC. Additionally, we have been advancing our sensing platform to mitigate the false positive and negative responses of the sensing platform using surface enhanced fluorescence technique. This noninvasive, highly sensitive, highly specific, also does not have false positives technique provide strong key to detect cancer at very early stage, hence increase the cancer survival rate. Moreover, the electromagnetic field enhancement of Surface-Enhanced Raman Scattering (SERS) and other related surface-enhanced spectroscopic processes resulted from the LSPR property. This dissertation describes the design and development of entirely new SERS nanosensors using flexible SERS substrate based on unique LSPR property of Au TNPs and developed sensors shows excellent SERS activity (enhancement factor = ~6.0 x 106) and limit of detection (as low as 56 parts-per-quadrillions) with high selectivity by chemometric analyses among three commonly used explosives (TNT, RDX, and PETN). Further we achieved the programable self-assembly of Au TNPs using molecular tailoring to form a 3D supper lattice array based on the substrate effect. Here we achieved the highest reported sensitivity for potent drug analysis, including opioids and synthetic cannabinoids from human plasma obtained from the emergency room. This exquisite sensitivity is mainly due to the two reasons, including molecular resonance of the adsorbate molecules and the plasmonic coupling among the nanoparticles. Altogether we are highly optimistic that our research will not only increase the patient survival rate through early detection of cancer but also help to battle the “war against drugs” that together is expected to enhance the quality of human life. </p> <p> </p>

Ce travail de thèse a porté sur l’étude des propriétés fondamentales de bâtonnets quantiques InAs/InP formant la zone active de diodes lasers, à l’aide de microscopie et spectroscopie à effet tunnel à balayage. Nous avons pu étudier la nature de la dimensionnalité de ces nanostructures, mesurer la structure électronique de bâtonnets uniques en fonction de leur position dans la jonction PIN et également établir la cartographie de leur fonction d’onde à l’aide de mesures de conductivité différentielle. Nous avons de plus étudié le potentiel de ces bâtonnets quantiques comme milieu à gain de diodes lasers pour applications en détection de gaz. Nous avons optimisé des structures actives qui ont permis une émission laser en continu jusqu’à 2 µm et nos résultats expérimentaux et de modélisation montrent que cette longueur d’onde d’émission peut être étendue encore plus vers le MIR. De plus nous avons conçu et développé un procédé de fabrication de lasers DFB à couplage latéral à base de réseau de Bragg à fort rapport cyclique qui a permis d’améliorer de façon significative le coefficient de couplage (>40 cm-1). Ce procédé ne nécessitant pas de reprise d’épitaxie est très simple et à bas coût dans sa réalisation. Les valeurs élevées du coefficient de couplage sont d’autre part obtenues sans recourir à des réseaux de Bragg métalliques, comme c’est généralement le cas dans la littérature, qui introduisent des pertes de propagation non négligeables. Cette nouvelle approche a été mise en œuvre pour la réalisation d’un laser monofréquence émettant à 1,986 µm, avec une puissance de sortie par face de 4,5 mW, un courant de seuil de 65 mA et un taux de suppression des modes latéraux > 37 dB. Ces paramètres sont parfaitement adaptés à la détection e.g. de NH3, ce qui est très important pour des applications industrielles. Ce type de laser DFB à couplage latéral (LC-DFB), à fort k et faibles pertes de propagation constitue une brique de base pour la réalisation future de composants à deux sections présentant une gamme élevée d’accordabilité en continu pour des applications aussi bien en détection de gaz qu’en télécommunications optiques / During this work, we investigated the fundamental properties of single Qdashes, that were embedded in a diode-laser structure configuration, using cross-sectional scanning tunneling microscopy and spectroscopy. The main results included addressing the open question of the Qdash dimensionality nature, probing the electronic structure of individual nanostructures in respect to their precise location in the p-i-n junction and imaging of the Qdash electronic squared wavefunctions by high-stability differential conductivity mapping. In addition, we investigated Qdashes as the active material of semiconductor lasers, with special attention to the gas sensing application. We optimized Qdash based material at specific emission wavelengths above 1.55 um, and demonstrated CW lasing up to 2 um with high performances. Our experimental and simulation results show to be promising for further pushing the emission wavelength out, towards longer wavelengths in the future, using the same material system. Furthermore, a novel process has been developed, for the fabrication of laterally-coupled DFB lasers, based on high-duty-cycle etched Bragg gratings: The process provides appreciably improved coupling coefficients suitable for practical applications (~40 cm-1), while avoiding the complicated high cost processing steps, that had been employed in previous works (regrowth over corrugated substrates/ FIB lithography) and without using the conventional highly absorbing metal gratings, which introduce significant additional losses. We implemented this approach on our optimized epi-wafer and demonstrated high SMSR (>37dB) LC-DFB lasers emitting at 1.986 um, with an output power per facet up to 4.5 mW and Ith down to 65 mA for a 630 um cavity length, suitable for detection of the NH3 gas. These high-κ, low loss, preliminary results of our LC-DFB lasers, achieved using etched gratings, open the way for the fabrication of a two-section LC-DBR laser using the same technology in the future. Such a laser would combine a significantly simplified process, with sufficient feedback, continuous wide range tunability, and negligible grating-induced losses, finding potential applications both in sensing and telecommunications applications

As the video gaming industry continues to grow, developers face increasing pressure to produce innovative content swiftly and cost-effectively. Procedural Content Generation (PCG), the use of algorithms to automate content creation, offers a solution to this problem. This paper explores the PCG algorithm wave function collapse’s (WFC) potential for replicating the stylistic design in video games. We provide an exploration of how the WFC algorithm works and discuss the methodology used to evaluate the generator’s ability to generate content that mimics a video game style. The study evaluates the algorithm’s efficacy by generating levels in the style of the iconic game Super Mario Bros, highlighting its ability to produce original content while maintaining the game’s stylistic features. Additionally, we do an examination of the research surrounding PCG and Machine Learning in Super Mario Bros, drawing comparisons with our methodology. The paper concludes with an assessment of WFC’s capabilities to replicate style with its generated content with the help of earlier established evaluation metrics. / Med den växande videospelsindustrin så möter utvecklare ett ökande tryck att producera innovativt innehåll snabbt och kostnadseffektivt. Procedural Content Generation (PCG), användningen av algoritmer för att automatisera skapandet av sådant innehåll, erbjuder en lösning på detta problem. Denna artikeln utforskar PCG-algoritmen wave function collapses (WFC) potentiella användning för att replikera design i datorspel. Vi ger en förklaring hur WFC-algoritmen fungerar och diskuterar metodiken som används för att utvärdera generatorns förmåga att generera innehåll som efterliknar ett visst datorspel stil. Studien utvärderar algoritmens effektivitet genom att generera nivåer i samma stil som i det ikoniska spelet Super Mario Bros, vilket betonar algoritmens förmåga att producera originellt innehåll samtidigt som den bevarar spelets stilistiska egenskaper. Dessutom undersöker forskningen kring PCG och maskininlärning i Super Mario Bros, och gör jämförelser med vår egna metodik. Uppsatsen avslutas med en bedömning av WFC:s förmåga att replikera stil med dess genererade innehåll med hjälp av tidigare etablerade utvärderingsmått.

In der vorliegenden Arbeit werden Untersuchungen vorgestellt, die sich mit drei verschiedenen Aspekten der Dynamik offener Quantensysteme beschäftigen. Zwei Themenkreise haben dabei mehr grundsätzliche Probleme der Theorie dissipativer Molekularsysteme zum Gegenstand. Dementsprechend müssen die Betrachtungen dazu auf einem allgemeineren Niveau verbleiben. In dem dritten Themenkreis jedoch, der sich mit Zwei-Teilchen-Effekten in der dissipativen Dynamik befaßt, können die Untersuchungen bis hin zu Berechnung von Meßgrößen geführt werden. Im ersten Teil der Arbeit gelingt eine Verallgemeinerung der vielbenutzten Standardform der Quanten-Master-Gleichung hin zur Nichtlinearen Quanten-Master-Gleichung. Mit der Anwendung der dazugehörigen zeitabhängigen Projektionsoperator-Technik kann ein Formalismus reaktiviert werden, der in der Literatur bisher eine nur sehr eingeschränkte Verbreitung findet. Der zweite Teil der Arbeit widmet sich Untersuchungen zur Monte-Carlo-Wellenfunktions-Methode mit dem Ergebnis, eine konsistente Verallgemeinerung auf ein Reservoir mit endlicher Temperatur anzugeben. Den Ausgangspunkt dazu bildet ein mikroskopisches Modell zur System-Reservoir-Kopplung, welches im Rahmen der Bewegungsgleichung für den reduzierten statistischen Operator in die sogenannte Lindblad-Form der Dissipation überführt wird. Nach der Betrachtung von Ein-Teilchen-Transferprozessen beschäftigt sich der dritte Teil der Arbeit mit der korrelierten Bewegung von zwei Quantenteilchen in einer dissipativen Umgebung mit der Hinwendung zum Zwei-Wasserstoff-System (Dihydrid-System) an Übergangsmetall-Verbindungen. Zunächst werden Modellrechnungen zur dissipationfreien Zwei-Teilchen-Dynamik in einem Potentialmodell durchzuführt. Der Einfluß, den die Teilchen-Teilchen-Korrelationen auf das Durchtunneln eines Potentialwalles besitzt, können durch verschiedene numerische Rechnungen aufgezeigt werden. Wie sich diese Effekte in Neutronenstreuexperimenten an dem Zwei-Teilchen-System der Übergangsmetall-Hydrid-Komplexe äußern, wird basierend auf Simulationsrechnungen untersucht. Kernstück dieser Betrachtungen bildet eine neuartige Formel für die Neutronenstreuung, die auf der dissipativen Dynamik des betrachteten Zwei-Teilchen-Systems aufbaut. / In the report at hand studies are presented dealing with three differentaspects of the dynamics of open quantum systems. Two topics are about the fundamental problems of the theory of dissipative molecular systems. Accordingly these investigations must remain on a more general level. In the third subject, however, which is about the two-particle effects in the dissipative dynamics the analyses can be extended to the computation of measurements. In the first part of the report a generalization of the well known standard quantum master equation to the nonlinear quantum master equation is developed. With the help of the projection operator technique belonging to it a formalism, that has not been popular in literature so far, can be reactivated. The second part of the report concentrates on examinations of the Monte-Carlo wave-function method, and results in the consistent generalization for a reservoir of finite temperature. The starting point for this is a microscopic model of the system-reservoir coupling, which is expanded to the so called Lindblad form of the dissipation in the line of the equation of motion for the reduced statistical operator. After the analysis of one-particle transfer processes the third part of the report is about the correlated motion of two quantum particles in a dissipative environment with main emphasis on the two-hydrogen system (dihydrid system) in transition metal complexes. First of all model computations for the dissipationless two-particle dynamics in a potential model are made. By different numerical computations the influence, which the particle-particle correlations exert on the tunneling through a potential barrier, can be shown.Based on simulations it is examined how these effects can be seen in neutron scattering experiments on two-particle systems of transition metal complexes. Main item of these investigations is a new formula for the neutron scattering which is based on the dissipative dynamics of the examined two-particle system.