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Phénoménologie du transfert et de la délocalisation électronique : traitement exact d'un modèle simple

A.-M. Daré

Published Jan 1, 1990• 0 citations
OpenAlex

Abstract

Un modèle simple de la délocalisation et du transfert d'électron induits par un potentiel dépendant du temps est résolu numériquement. L'équation de Schrodinger étudiée est celle d'une particule plongée dans un potentiel à une dimension, constitué de plusieurs potentiels à courte portée (fonctions delta de Dirac). Les résultats, obtenus sans traitement perturbatif, concernent la probabilité d'ionisation dépendante du temps, le spectre d'énergie et le temps de transfert.

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Tunneling dans les potentiels à plusieurs minima

O. Sérot, N. Cârjan, Dan Strottman +1 more

Les phénomènes de tunneling qui interviennent dans les potentiels possédant plusieurs minima sont discutés à partir de la généralisation des arguments de Landau. En particulier, la très forte influence de la forme du potentiel sur les probabilités de tunneling (résonance) et sur la forme du paquet d'ondes au cours du temps (cohérence) est montrée dans le cas du double puits de potentiel carré asymétrique. Ces caractéristiques sont également illustrées sur des potentiels plus réalistes en résolvant numériquement l'équation de Schrödinger dépendante du temps à une et deux dimensions.

Annales de Physique•Jan 1, 1993•1 citation

Analyse mathématique de modèles en nanophysique

Hervé Galicher

Cette these se compose de trois parties. Dans une premiere partie on etudie un probleme spectral associe a l'equation de Schrodinger independante du temps en trois dimensions et a plusieurs particules : la caracterisation des etats excites d'une molecule en termes de recherche de points critiques sur une variete. L'approximation utilisee est l'approximation MCSCF. Le probleme spectral est transforme en un probleme de geodesiques et d'etude d'indice de Morse de points critiques. On met en œuvre un algorithme pour le traitement numerique de ce probleme et on met en evidence l'amelioration des resultats obtenus par rapport aux algorithmes existants. Dans une deuxieme partie, on etudie l'equation de Schrodinger dependante du temps a une particule en une dimension. Des potentiels non triviaux en espace et ou en temps sont appliques. On resout alors exactement le probleme des conditions aux limites transparentes dans le cadre continu ou discret. On donne des formules fermees originales sous forme d'algorithme possedant un nombre d'iterations fini ou bien via des representations integrales sur des fonctions speciales. Le cas des potentiels harmonique, electrostatique dependant du temps, semi-periodique sont ainsi resolus. On etudie de maniere formelle sans donner de formule fermee la forme prise par l'operateur de Dirichlet-to-Neuman dans le cas d'un potentiel encore plus complique. Cette partie est completee par des apports divers d'analyse sur les fonctions speciales et certaines equations integrales. Dans une troisieme partie on etudie des proprietes et des algorithmes de resolutions numeriques d'une equation des film fin a frontiere libre posee sur une variete avec bords.

•Jan 1, 2009•0 citations

Dynamique et contrôle de systèmes quantiques ouverts

Aurélie Chenel

L'étude des effets quantiques, comme les cohérences quantiques, et leur exploitation en contrôle par impulsion laser constituent encore un défi numérique pour les systèmes de grande taille. Pour réduire la dimensionnalité du problème, la dynamique dissipative se focalise sur un sous-espace quantique dénommé 'système', qui inclut les degrés de liberté les plus importants. Le système est couplé à un bain thermique d'oscillateurs harmoniques. L'outil essentiel de la dynamique dissipative est la densité spectrale du bain, qui contient toutes les informations sur le bain et sur l'interaction entre le système et le bain. Plusieurs stratégies complémentaires existent. Nous adoptons une équation maîtresse quantique non-markovienne pour décrire l'évolution de la matrice densité associée au système. Cette approche, développée par C. Meier et D.J. Tannor, est perturbative en fonction du couplage entre le système et le bain, mais pas en fonction de l'interaction avec un champ laser. Le but est de confronter cette méthodologie à des systèmes réalistes calibrés par des calculs de structure électronique ab initio. Une première étude porte sur la modélisation du transfert d'électron ultrarapide à une hétérojonction oligothiophène-fullerène, présente dans des cellules photovoltaïques organiques. La description du problème en fonction d'une coordonnée brownienne permet de contourner la limitation du régime perturbatif. Le transfert de charge est plus rapide mais moins complet lorsque la distance R entre les fragments oligothiophène et fullerène augmente. La méthode de dynamique quantique décrite ci-dessus est ensuite combinée à la Théorie du Contrôle Optimal (OCT), et appliquée au contrôle d'une isomérisation, le réarrangement de Cope, dans le contexte des réactions de Diels-Alder. La prise en compte de la dissipation dès l'étape d'optimisation du champ permet à l'algorithme de contrôle de contrer la décohérence induite par l'environnement et conduit à un meilleur rendement. La comparaison de modèles à une et deux dimensions montre que le contrôle trouve un mécanisme adapté au modèle utilisé. En deux dimensions, il agit activement sur les deux coordonnées du modèle. En une dimension, le décohérence est minimisée par une accélération du passage par les états délocalisés situés au-dessus de la barrière de potentiel.

•Jul 16, 2014•0 citations

Les potentiels delta : des modèles simples pour les problèmes conceptuels et/ou techniques en quantique élémentaire

Daniel Boutet

Les potentiels « delta » (de portee nulle) a une dimension en theorie quantique elementaire constituent une assez vaste classe de modeles a la fois solubles et physiquement interessants. Ils permettent en particulier de separer clairement les difficultes conceptuelles, methodologiques, et mathematiques inherentes a certains problemes quantiques. Parmi ces problemes : diverses resolutions d’equations de Schrodinger (Fourier, Laplace, equation integrale, matrice de transfert, etc…), etude de la formation des bandes d’energie pour N puits equidistants lorsque N tend vers l’infini, potentiels periodiques multiatomiques, et aleatoires (localisation). La precision, la puissance et la pertinence de quelques modeles a potentiels « delta » sont discutees en detail (physique atomique, diffusion). Ce travail, ou l’accent est mis sur les idees et les methodes, constitue egalement une revue synthetique des diverses contributions au sujet.

•Jan 1, 1985•0 citations

Numerical methods for the simulation of nonlinear stochastic partial differential equations in Bose-Einstein condensation

Romain Poncet

Cette thèse porte sur l'étude de méthodes numériques pour l'analyse de deux modèles stochastiques apparaissant dans le contexte de la condensation de Bose-Einstein. Ceux-ci constituent deux généralisations de l'équation de Gross-Pitaevskii. Cette équation aux dérivées partielles déterministe modélise la dynamique de la fonction d'onde d'un condensat de Bose-Einstein piégé par un potentiel extérieur confinant.Le premier modèle étudié permet de modéliser les fluctuations de l'intensité du potentiel confinant et prend la forme d'une équation aux dérivées partielles stochastiques. Celles-ci conduisent en pratique à un échauffement du condensat, et parfois mêmeà son effondrement. Nous proposons dans un premier chapitre la construction d'un schéma numérique pour la résolution de ce modèle. Il est fondé sur une discrétisation spectrale en espace, et une discrétisation temporelle de type Crank-Nicolson. Nous démontrons que le schéma proposé converge fortement en probabilité à l'ordre au moins 1 en temps, et nous présentons des simulations numériques illustrant ce résultat. Le deuxième chapitre est consacré à l'étude théorique et numérique de la dynamique d'une solution stationnaire (pour l'équation déterministe) de type vortex. Nous étudions l'influence des perturbations aléatoires du potentiel sur la solution, et montrons que la solution perturbée garde les symétries de la solution stationnaire pour des temps au moins de l'ordre du carré de l'inverse de l'intensité des fluctuations. Ces résultats sont illustrés par des simulations numériques exploitant une méthode de Monte-Carlo adaptée à la simulation d'événements rares.Le deuxième modèle permet de modéliser les effets de la température sur la dynamique d'un condensat. Lorsque celle-ci n'est pas nulle, la condensation n'est pas complète et le condensat interagit avec les particules non condensées. Ces interactions sont d'un grand intérêt pour comprendre la dynamique de transition de phase et analyser les phénomènes de brisure de symétrie associés, comme la formation spontanée de vortex. Nous nous sommes intéressés dans les chapitres 3 et 4 à des questions relatives à la simulation de la distribution des solutions de cette équation en temps long. Le troisième chapitre est consacré à la construction d'une méthode d’échantillonnage sans biais pour des mesures connues à une constante multiplicative près. C'est une méthode de Monte Carlo par chaînes de Markov qui a la particularité de permettre un échantillonnage non-réversible basé sur une équation de type Langevin sur-amortie. Elle constitue une extension de Metropolis-Adjusted Langevin Algorithm (MALA). Le quatrième chapitre est quant à lui consacré à l'étude numérique de dynamiques métastables liées à la nucléation de vortex dans des condensats en rotation. Un intégrateur numérique pour la dynamique étudiée est proposé, ainsi qu'une méthode de Monte-Carlo adaptée à la simulation d'événements rares correspondant aux changements de configurations métastables. Cette dernière est basée sur l'algorithme Adaptive Multilevel Splitting (AMS).

•Oct 2, 2017•0 citations

Quantisation of the Classical Model of Dirac Electron in the Schrödinger Picture

Mehmet KIŞ, C. Önem

TURKISH JOURNAL OF PHYSICS•Jan 1, 1996•0 citations
Un modèle simple de la délocalisation et du transfert d'électron induits par un potentiel dépendant du temps est résolu numériquement. L'équation de Schrodinger étudiée est celle d'une particule plongée dans un potentiel à une dimension, constitué de plusieurs potentiels à courte portée (fonctions delta de Dirac). Les résultats, obtenus sans traitement perturbatif, concernent la probabilité d'ionisation dépendante du temps, le spectre d'énergie et le temps de transfert.
Les phénomènes de tunneling qui interviennent dans les potentiels possédant plusieurs minima sont discutés à partir de la généralisation des arguments de Landau. En particulier, la très forte influence de la forme du potentiel sur les probabilités de tunneling (résonance) et sur la forme du paquet d'ondes au cours du temps (cohérence) est montrée dans le cas du double puits de potentiel carré asymétrique. Ces caractéristiques sont également illustrées sur des potentiels plus réalistes en résolvant numériquement l'équation de Schrödinger dépendante du temps à une et deux dimensions.
Cette these se compose de trois parties. Dans une premiere partie on etudie un probleme spectral associe a l'equation de Schrodinger independante du temps en trois dimensions et a plusieurs particules : la caracterisation des etats excites d'une molecule en termes de recherche de points critiques sur une variete. L'approximation utilisee est l'approximation MCSCF. Le probleme spectral est transforme en un probleme de geodesiques et d'etude d'indice de Morse de points critiques. On met en œuvre un algorithme pour le traitement numerique de ce probleme et on met en evidence l'amelioration des resultats obtenus par rapport aux algorithmes existants. Dans une deuxieme partie, on etudie l'equation de Schrodinger dependante du temps a une particule en une dimension. Des potentiels non triviaux en espace et ou en temps sont appliques. On resout alors exactement le probleme des conditions aux limites transparentes dans le cadre continu ou discret. On donne des formules fermees originales sous forme d'algorithme possedant un nombre d'iterations fini ou bien via des representations integrales sur des fonctions speciales. Le cas des potentiels harmonique, electrostatique dependant du temps, semi-periodique sont ainsi resolus. On etudie de maniere formelle sans donner de formule fermee la forme prise par l'operateur de Dirichlet-to-Neuman dans le cas d'un potentiel encore plus complique. Cette partie est completee par des apports divers d'analyse sur les fonctions speciales et certaines equations integrales. Dans une troisieme partie on etudie des proprietes et des algorithmes de resolutions numeriques d'une equation des film fin a frontiere libre posee sur une variete avec bords.
L'étude des effets quantiques, comme les cohérences quantiques, et leur exploitation en contrôle par impulsion laser constituent encore un défi numérique pour les systèmes de grande taille. Pour réduire la dimensionnalité du problème, la dynamique dissipative se focalise sur un sous-espace quantique dénommé 'système', qui inclut les degrés de liberté les plus importants. Le système est couplé à un bain thermique d'oscillateurs harmoniques. L'outil essentiel de la dynamique dissipative est la densité spectrale du bain, qui contient toutes les informations sur le bain et sur l'interaction entre le système et le bain. Plusieurs stratégies complémentaires existent. Nous adoptons une équation maîtresse quantique non-markovienne pour décrire l'évolution de la matrice densité associée au système. Cette approche, développée par C. Meier et D.J. Tannor, est perturbative en fonction du couplage entre le système et le bain, mais pas en fonction de l'interaction avec un champ laser. Le but est de confronter cette méthodologie à des systèmes réalistes calibrés par des calculs de structure électronique ab initio. Une première étude porte sur la modélisation du transfert d'électron ultrarapide à une hétérojonction oligothiophène-fullerène, présente dans des cellules photovoltaïques organiques. La description du problème en fonction d'une coordonnée brownienne permet de contourner la limitation du régime perturbatif. Le transfert de charge est plus rapide mais moins complet lorsque la distance R entre les fragments oligothiophène et fullerène augmente. La méthode de dynamique quantique décrite ci-dessus est ensuite combinée à la Théorie du Contrôle Optimal (OCT), et appliquée au contrôle d'une isomérisation, le réarrangement de Cope, dans le contexte des réactions de Diels-Alder. La prise en compte de la dissipation dès l'étape d'optimisation du champ permet à l'algorithme de contrôle de contrer la décohérence induite par l'environnement et conduit à un meilleur rendement. La comparaison de modèles à une et deux dimensions montre que le contrôle trouve un mécanisme adapté au modèle utilisé. En deux dimensions, il agit activement sur les deux coordonnées du modèle. En une dimension, le décohérence est minimisée par une accélération du passage par les états délocalisés situés au-dessus de la barrière de potentiel.
Les potentiels « delta » (de portee nulle) a une dimension en theorie quantique elementaire constituent une assez vaste classe de modeles a la fois solubles et physiquement interessants. Ils permettent en particulier de separer clairement les difficultes conceptuelles, methodologiques, et mathematiques inherentes a certains problemes quantiques. Parmi ces problemes : diverses resolutions d’equations de Schrodinger (Fourier, Laplace, equation integrale, matrice de transfert, etc…), etude de la formation des bandes d’energie pour N puits equidistants lorsque N tend vers l’infini, potentiels periodiques multiatomiques, et aleatoires (localisation). La precision, la puissance et la pertinence de quelques modeles a potentiels « delta » sont discutees en detail (physique atomique, diffusion). Ce travail, ou l’accent est mis sur les idees et les methodes, constitue egalement une revue synthetique des diverses contributions au sujet.
Cette thèse porte sur l'étude de méthodes numériques pour l'analyse de deux modèles stochastiques apparaissant dans le contexte de la condensation de Bose-Einstein. Ceux-ci constituent deux généralisations de l'équation de Gross-Pitaevskii. Cette équation aux dérivées partielles déterministe modélise la dynamique de la fonction d'onde d'un condensat de Bose-Einstein piégé par un potentiel extérieur confinant.Le premier modèle étudié permet de modéliser les fluctuations de l'intensité du potentiel confinant et prend la forme d'une équation aux dérivées partielles stochastiques. Celles-ci conduisent en pratique à un échauffement du condensat, et parfois mêmeà son effondrement. Nous proposons dans un premier chapitre la construction d'un schéma numérique pour la résolution de ce modèle. Il est fondé sur une discrétisation spectrale en espace, et une discrétisation temporelle de type Crank-Nicolson. Nous démontrons que le schéma proposé converge fortement en probabilité à l'ordre au moins 1 en temps, et nous présentons des simulations numériques illustrant ce résultat. Le deuxième chapitre est consacré à l'étude théorique et numérique de la dynamique d'une solution stationnaire (pour l'équation déterministe) de type vortex. Nous étudions l'influence des perturbations aléatoires du potentiel sur la solution, et montrons que la solution perturbée garde les symétries de la solution stationnaire pour des temps au moins de l'ordre du carré de l'inverse de l'intensité des fluctuations. Ces résultats sont illustrés par des simulations numériques exploitant une méthode de Monte-Carlo adaptée à la simulation d'événements rares.Le deuxième modèle permet de modéliser les effets de la température sur la dynamique d'un condensat. Lorsque celle-ci n'est pas nulle, la condensation n'est pas complète et le condensat interagit avec les particules non condensées. Ces interactions sont d'un grand intérêt pour comprendre la dynamique de transition de phase et analyser les phénomènes de brisure de symétrie associés, comme la formation spontanée de vortex. Nous nous sommes intéressés dans les chapitres 3 et 4 à des questions relatives à la simulation de la distribution des solutions de cette équation en temps long. Le troisième chapitre est consacré à la construction d'une méthode d’échantillonnage sans biais pour des mesures connues à une constante multiplicative près. C'est une méthode de Monte Carlo par chaînes de Markov qui a la particularité de permettre un échantillonnage non-réversible basé sur une équation de type Langevin sur-amortie. Elle constitue une extension de Metropolis-Adjusted Langevin Algorithm (MALA). Le quatrième chapitre est quant à lui consacré à l'étude numérique de dynamiques métastables liées à la nucléation de vortex dans des condensats en rotation. Un intégrateur numérique pour la dynamique étudiée est proposé, ainsi qu'une méthode de Monte-Carlo adaptée à la simulation d'événements rares correspondant aux changements de configurations métastables. Cette dernière est basée sur l'algorithme Adaptive Multilevel Splitting (AMS).