Academic literature on the topic 'Adiabatique'

Le débouchage d’une bouteille de champagne permet de revisiter la physique des changements de phase qui accompagnent la détente adiabatique du volume de gaz sous pression dans le col de la bouteille. On s’intéresse ici aux phénomènes de condensation qui apparaissent dans le sillage du bouchon qui saute, en fonction de la température de ladite bouteille. Pour les bouteilles stockées à 20 °C, un panache bleu azur apparait dans le col de la bouteille et dans le sillage du bouchon qui saute. Il s’évanouit au bout de quelques millisecondes. On montre que ce panache bleu est la signature de la transformation en cristaux de neige carbonique et par nucléation hétérogène, de la vapeur de dioxyde de carbone présente dans le col de la bouteille.

La première partie de cette thèse est consacrée à l'élaboration théorique de processus adiabatiques permettant le transfert de population entre un état initial et un état cible d'un système quantique. La stratégie du passage adiabatique parallèle pour laquelle les paramètres de couplage sont conçus de telle sorte que la différence des valeurs propres du système reste constante à chaque instant, permet de minimiser à zéro les transitions non-adiabatiques données par la formule DDP. Cette technique permet de combiner à la fois l'efficacité énergétique des méthodes impulsion-pi et la robustesse du passage adiabatique. La seconde partie de cette thèse concerne les effets de la dissipation sur le passage adiabatique. La formule de probabilité de transition d'un système à deux niveaux tenant compte des effets de la dissipation est établie. Cette formule permet de reformuler la solution générale d'un système dissipatif à deux niveaux dans la limite adiabatique qui est valable au-delà du régime de faible dissipation.

Le but principal de la thèse est d'étudier les liens entre les singularités du spectre d'un Hamiltonien quantique contrôlé et les questions de contrôlabilité de l'équation Schr"odinger associée.La principale question qui se pose est de savoir comment contrôler une famille de systèmes quantiques dépendant des paramètres avec une entrée de commande commune. Ce problème de contrôlabilité d'ensemble est lié à la conception d'une stratégie de contrôle robuste lorsqu'un paramètre (une fréquence de résonance ou une inhomogénéité de champ de contrôle par exemple) est inconnu, et constitue un enjeu important pour les expérimentateurs.Grâce à l'étude des familles à un paramètre de Hamiltoniens et de leurs singularités génériques, nous donnons une stratégie de contrôle explicite pour le problème de contrôlabilité d'ensemble lorsque les conditions géométriques sur le spectre des Hamiltoniens sont satisfaites. Le résultat est basé sur la théorie de l'approximation adiabatique et sur la présence de courbes d'intersections coniques de valeurs propres du Hamiltonien contrôlé. La technique proposée fonctionne pour des systèmes évoluant à la fois dans des espaces de Hilbert de dimension finie et de dimension infinie. Nous étudions ensuite le problème de la contrôlabilité d'ensemble sous des hypothèses moins restrictives sur le spectre, à savoir la présence de singularités non-coniques. Sous des conditions génériques, de telles singularités n'apparaissent pas pour des systèmes uniques, mais apparaissent pour des familles de systèmes à un paramètre.Pour l'étude d'un système unique, nous nous concentrons sur une classe de courbes dans l'espace des contrôles, appelées les courbes non-mixantes (définies dans cite{Bos}), qui peuvent optimiser la dynamique adiabatique près des intersections coniques et non coniques. Elles sont liées à la géométrie des espaces propres du Hamiltonien contrôlé et l'approximation adiabatique possède une meilleure précision le long de celles-ci.Nous proposons d'étudier la compatibilité de l'approximation adiabatique avec la Rotating Wave Approximation. De telles approximations sont généralement combinées par les physiciens. Mon travail montre que cela ne se justifie pour les systèmes quantiques à dimensions finies que dans certaines conditions sur les échelles de temps. Nous étudions également les questions de contrôle d'ensemble dans ce cas<br>The main purpose of the thesis is to study the links between the singularities of the spectrum of a controlled quantum Hamiltonian and the controllability issues of the associated Schr"odinger equation.The principal issue that is developed is how to control a parameter-dependent family of quantum systems with a common control input. This problem of ensemble controllability is linked to the design of a robust control strategy when a parameter (a resonance frequency or a control field inhomogeneity for instance) is unknown, and is an important issue for experimentalists.Thanks to the study one-parametric families of Hamiltonians and their generic singularities, we give an explicit control strategy for the ensemble controllability problem when geometric conditions on the spectrum of the Hamiltonian are satisfied. The result is based on adiabatic approximation theory and on the presence of curves of conical eigenvalue intersections of the controlled Hamiltonian. The proposed technique works for systems evolving both in finite-dimensional and infinite-dimensional Hilbert spaces. Then we study the problem of ensemble controllability under less restrictive hypotheses on the spectrum, namely the presence of non-conical singularities. Under generic conditions such non-conical singularities are not present for single systems, but appear for one-parametric families of systems.For the study of a single system, we focus on a class of curves in the space of controls, called the non-mixing curves (defined in cite{Bos}), that can optimize the adiabatic dynamics near conical and non-conical intersections. They are linked to the geometry of the eigenspaces of the controlled Hamiltonian and the adiabatic approximation holds with higher precision along them.We propose to study the compatibility of the adiabatic approximation with the rotating wave approximation. Such approximations are usually done in cascade by physicists. My work shows that this is justified for finite dimensional quantum systems only under certain conditions on the time scales. We also study ensemble control issues in this case

Cette thèse traite du problème de la réduction de modèle pour les systèmes quantiquesouverts possédant différentes échelles de temps, également connu sous le nom d’éliminationadiabatique. L’objectif est d’obtenir une méthode générale d’élimination adiabatiqueassurant la structure quantique du modèle réduit.On considère un système quantique ouvert, décrit par une équation maîtresse deLindblad possédant deux échelles de temps, la dynamique rapide faisant converger lesystème vers un état d’équilibre. Les systèmes associés à un état d’équilibre unique ouune variété d’états d’équilibre ("decoherence-free space") sont considérés. La dynamiquelente est traitée comme une perturbation. En utilisant la séparation des échelles de temps,on développe une nouvelle technique d’élimination adiabatique pour obtenir, à n’importequel ordre, le modèle réduit décrivant les variables lentes. Cette méthode, basée sur undéveloppement asymptotique et la théorie géométrique des perturbations singulières, assureune bonne interprétation physique du modèle réduit au second ordre en exprimant ladynamique réduite sous une forme de Lindblad et la paramétrisation définissant la variétélente dans une forme de Kraus (préservant la trace et complètement positif). On obtientainsi des formules explicites, pour calculer le modèle réduit jusqu’au second ordre, dans lecas des systèmes composites faiblement couplés, de façon Hamiltonienne ou en cascade;des premiers résultats au troisième ordre sont présentés. Pour les systèmes possédant unevariété d’états d’équilibre, des formules explicites pour calculer le modèle réduit jusqu’ausecond ordre sont également obtenues<br>This thesis addresses the model reduction problem for open quantum systems with differenttime-scales, also called adiabatic elimination. The objective is to derive a generic adiabaticelimination technique preserving the quantum structure for the reduced model.We consider an open quantum system, described by a Lindblad master equation withtwo time-scales, where the fast time-scale drives the system towards an equilibrium state.The cases of a unique steady state and a manifold of steady states (decoherence-free space)are considered. The slow dynamics is treated as a perturbation. Using the time-scaleseparation, we developed a new adiabatic elimination technique to derive at any orderthe reduced model describing the slow variables. The method, based on an asymptoticexpansion and geometric singular perturbation theory, ensures the physical interpretationof the reduced second-order model by giving the reduced dynamics in a Lindblad formand the mapping defining the slow manifold as a completely positive trace-preserving map(Kraus map) form. We give explicit second-order formulas, to compute the reduced model,for composite systems with weak - Hamiltonian or cascade - coupling between the twosubsystems and preliminary results on the third order. For systems with decoherence-freespace, explicit second order formulas are as well derived

La realisation de l'excitation totale d'un milieu presente de nombreux interets pour les etudes spectroscopiques ou pour l'amelioration du rendement des processus d'excitation selectifs. Le passage adiabatique rapide, obtenu par un balayage lineaire de la frequence du laser pendant la duree de l'interaction, permet de realiser une inversion de population sur un systeme a deux niveaux. Dans ce memoire, nous realisons une etude du phenomene sur du cerium produit dans un jet atomique. Nous travaillons dans le domaine spectral du visible avec des impulsions de l'ordre de la nanoseconde. La modulation lineaire est obtenue par effet electro-optique dans un cristal. La population du niveau excitee est detectee par photoionisation. Apres des etudes preliminaires (calculs numeriques pour prevoir les performances du modulateur de frequence et caracterisations experimentales du modulateur et des lasers), nous realisons une etude experimentale du transfert de population par passage adiabatique rapide en fonction de deux parametres importants: la frequence de rabi et la vitesse du balayage en frequence. Nous comparons les observations experimentales et les resultats des simulations numeriques. Nous introduisons dans ces dernieres un modele d'incoherence du laser qui permet de mieux rendre compte de l'experience

La première partie de cette thèse est consacrée à l'élaboration théorique de<br />processus adiabatiques permettant l'implémentation de portes logiques<br />quantiques, les constituants élémentaires des ordinateurs quantiques, par<br />l'interaction de champs laser impulsionnels avec des atomes. L'utilisation de<br />techniques adiabatiques permet des implémentations robustes, i.e. insensibles<br />aux fluctuations des paramètres expérimentaux. Les processus décrits dans cette<br />thèse ne nécessitent que le contrôle précis des polarisations et des phases<br />relatives des champs lasers. Ces processus permettent l'implémentation d'un<br />ensemble universel de portes quantiques, autorisant l'implémentation de toute<br />autre porte quantique par combinaisons.<br />La seconde partie de cette thèse concerne les effets de la décohérence par<br />déphasage sur le passage adiabatique. La formule de probabilité de transition<br />d'un système à deux niveaux tenant compte de ces effets décohérents est établie.<br />Cette formule est valable dans les différents régimes, diabatique et<br />adiabatique, et permet d'établir les paramètres de trajectoires elliptiques<br />optimisant le transfert de population.

Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (PAH) ont été proposés comme porteurs principaux de bandes interstellaires diffuses observées dans le milieu interstellaire, motivant des études approfondies de leur réponse photophysique et photochimique au rayonnement UV. Les mécanismes sous-jacents en compétition déterminent l'évolution du gaz dans le milieu interstellaire. L'objectif principal de cette thèse est de décrire et de comprendre les mécanismes de relaxation dans des PAHs de grande taille, par des simulations de dynamique moléculaire non-adiabatique, couplées à l'approche de la réponse linéaire "Time-Dependent Density Functional based Tight Binding" (TD-DFTB) des états excités. Des développements substantiels, prérequis ont été effectués dans le code DFTB deMon-Nano (http://demon-nano.ups-tlse.fr), d'abord avec le calcul des gradients analytiques des surfaces d'énergie potentielle (PES) et des couplages non-adiabatiques des états TD-DFTB. Puis, l'algorithme de trajectoire à sauts de surface minimaux (FSSH) de Tully a été adapté à l'approche TD-DFTB afin de prendre en compte les effets non-adiabatiques. Après comparaison avec des méthodes de structure électronique de référence, la première application est dédiée à la dynamique non-adiabatique de PAHs cata-condensés linéairement. La relaxation électronique de l'état excité le plus brillant a été simulée pour des polyacènes neutres constitués de 2 à 7 cycles aromatiques. Les résultats montrent une alternance marquée dans les temps de dépopulation de l'état initial pour les polyacènes contenant jusqu'à 6 cycles aromatiques, ce qui est corrélé avec une alternance des écarts d'énergie entre l'état initial et l'état situé juste dessous. Puis, l'influence de la géométrie sur la relaxation a été étudiée en comparant deux isomères, le chrysène de type "armchair-edge" et le tétracène de type "zigzag-edge". Après évaluation des paramétrages DFTB, la relaxation électronique à partir de l'état excité le plus brillant, situé autour de 270 nm pour les deux isomères, à été analysée. Les résultats montrent que la population électronique excitée du chrysène décroît un ordre de grandeur plus rapidement que celle du tétracène. Ceci est aussi corrélé à une différence significative des écarts d'énergie entre l'état initial et l'état situé juste dessous. Un dernier développement majeur concerne l'utilisation d'algorithmes "Machine Learning" (ML) proposés comme un moyen d'éviter la plupart des calculs de structure électronique, très coûteux en temps calcul. Les performances d'algorithmes de réseaux de neurones appliqués à la dynamique des états excités ont été évaluées. Le cas de la relaxation électronique dans le phénanthrène neutre a été choisi comme test en raison de divers résultats expérimentaux disponibles. L'apprentissage de plusieurs réseaux de neurones a été effectué et leurs précision et efficacité analysés. De plus, des approximations de trajectoires à sauts de surface ont été interfacées à l'approche ML, résultant en un coût négligeable des simulations de dynamique non-adiabatique. L'efficacité des diverses approches simplifiées a été comparée à FSSH. Dans l'ensemble, ML se révèle un outil très prometteur pour la dynamique dans les états excités à l'échelle de la nanoseconde. Ce travail de thèse ouvre de nouvelles voies pour étudier la photophysique théorique de complexes moléculaires de grande taille. Enfin, les outils développés et implémentés dans deMon-Nano, de manière modulaire, peuvent être combinés avec d'autres approches DFTB sophistiquées (tel que "Configuration Interaction") plus adaptées aux états à transfert de charge<br>Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs) have been proposed as main carriers of diffuse interstellar bands that are observed in the interstellar medium. This has motivated an extensive study of their photophysical and photochemical response to UV irradiation. Underlying competing mechanisms drive the evolution of gas in the interstellar medium. The main objective of this thesis is to describe and to get theoretical insight in the energy relaxation mechanisms in large PAH molecules via extensive non-adiabatic molecular dynamics simulations coupled to the linear response Time-Dependent Density Functional based Tight Binding (TD-DFTB) approach of the excited states. Prerequisite substantial development was made in the DFTB deMon-Nano package (http://demon-nano.ups-tlse.fr), firstly with the implementation of analytical gradients of potential energy surfaces (PESs) and of non-adiabatic couplings within the TD-DFTB scheme. Next, the Tully's fewest-switches trajectory surface hopping (FSSH) algorithm has been adapted and coupled to the TD-DFTB scheme in order to take into account non-adiabatic transitions. After detailed methodological considerations and comparison with higher-level electronic structure methods, the first full-scale application is dedicated to non-adiabatic molecular dynamics of linearly cata-condensed PAHs. Electronic relaxation from the brightest excited state has been simulated for neutral polyacenes with 2 to 7 aromatic cycles. The results display a striking alternation in decay times of the brightest singlet state computed for polyacenes with up to 6 aromatic cycles, which is correlated with a qualitatively similar alternation of energy gaps between the brightest state and the state lying just below in energy. Next, the influence of geometry on relaxation has been investigated through the comparison of two isomers: armchair-edge chrysene versus zigzag-edge tetracene. After assessing the performance of DFTB parameter sets, the main focus is given to the analysis of the electronic relaxation from the brightest excited state, which is located around 270 nm for both isomers. The results show that the electronic population of the brightest excited state in chrysene decays an order-of-magnitude faster than that in tetracene. This is correlated with a significant difference in energy gaps between the brightest state and the state lying just below in energy, which is consistent with the previous conclusions for polyacenes. A last major development concerns the use of Machine Learning (ML) algorithms that have been proposed as a way to avoid most of the computationally-demanding electronic structure calculations. It aims to assess the performance of neural networks algorithms applied to excited-state dynamics. Electronic relaxation in neutral phenanthrene has been chosen as a test case due to the diversity of available experimental results. Several neural networks have been trained with different parameters and their respective accuracy and efficiency analyzed. In addition, approximate trajectory surface hopping schemes have been interfaced to ML-based PESs and gradients, resulting in non-adiabatic dynamics simulations at a negligible cost. Various simplified hopping approaches have been compared with FSSH. Overall, ML is found to be a highly promising tool for nanosecond-long molecular dynamics in excited states. This PhD research opens new avenues to investigate theoretical photophysics of large molecular complexes. Last but not least, the theoretical tools developed and implemented in deMon-Nano in a modular way can be further combined with other advanced (such as Configuration Interaction) DFTB techniques better adapted to charge-transfer states

La fermeture des centrales nucléaires et le développement de l’énergie solaire et éolienne rendent la production d’électricité plus volatile. De nouveaux systèmes de stockage sont nécessaires pour s’assurer que l’électricité est disponible au moment où elle est nécessaire. Le stockage adiabatique d’air comprimé représente une technologie prometteuse. Il utilise l’excédent de production des installations solaires et éoliennes pour comprimer l’air ambiant et le stocker dans une cavité souterraine. Au besoin, l’air comprimé est à nouveau détendu et entraîne alors une turbine qui produit de l’électricité. En tirant profit de la chaleur générée lors de la compression, cette technologie atteint un rendement de 65 à 75 %, ce qui est semblable à celui obtenu avec l’accumulation par pompage. En termes de potentiel d’émission de gaz à effet de serre et de dommages aux écosystèmes, la compatibilité environnementale des réservoirs d’air comprimé est également comparable à celle des systèmes à accumulation par pompage. Les réservoirs d’air comprimé sont techniquement réalisables. Les composants importants, comme les turbomachines et les accumulateurs thermiques, sont déjà disponibles sur le marché ou ont été testés dans une installation pilote. La construction de cavités bénéficie de l’expérience acquise lors de la réalisation de tunnels et de cavernes. Les réservoirs adiabatiques d’air comprimé constituent par conséquent une solution de stockage efficace, écologique et techniquement réalisable. En raison de leurs coûts d’investissement élevés et du manque de clarté qui entoure leur cadre économique et juridique, leur rentabilité demeure toutefois incertaine. Cela complique également le financement d’une installation de démonstration.

La fermeture des centrales nucléaires et le développement de l’énergie solaire et éolienne rendent la production d’électricité plus volatile. De nouveaux systèmes de stockage sont nécessaires pour s’assurer que l’électricité est disponible au moment où elle est nécessaire. Le stockage adiabatique d’air comprimé représente une technologie prometteuse. Il utilise l’excédent de production des installations solaires et éoliennes pour comprimer l’air ambiant et le stocker dans une cavité souterraine. Au besoin, l’air comprimé est à nouveau détendu et entraîne alors une turbine qui produit de l’électricité. En tirant profit de la chaleur générée lors de la compression, cette technologie atteint un rendement de 65 à 75 %, ce qui est semblable à celui obtenu avec l’accumulation par pompage. En termes de potentiel d’émission de gaz à effet de serre et de dommages aux écosystèmes, la compatibilité environnementale des réservoirs d’air comprimé est également comparable à celle des systèmes à accumulation par pompage. Les réservoirs d’air comprimé sont techniquement réalisables. Les composants importants, comme les turbomachines et les accumulateurs thermiques, sont déjà disponibles sur le marché ou ont été testés dans une installation pilote. La construction de cavités bénéficie de l’expérience acquise lors de la réalisation de tunnels et de cavernes. Les réservoirs adiabatiques d’air comprimé constituent par conséquent une solution de stockage efficace, écologique et techniquement réalisable. En raison de leurs coûts d’investissement élevés et du manque de clarté qui entoure leur cadre économique et juridique, leur rentabilité demeure toutefois incertaine. Cela complique également le financement d’une installation de démonstration.