Étude expérimentale et théorique des fluctuations thermiques quantiques des noyaux par spectroscopies d'absorption X et résonance magnétique nucléaire

Axe T - Méthodologies pour la modélisation des matériaux

Thèse de Ruidy Némausat

Thèse soutenue le vendredi 5 février 2016 à 14h30
Salle de conférence - Salle 1 - 4^e étage - Barre 22-23

IMPMC
Université P. et M. Curie

4 Place Jussieu - 75005 Paris

Cotutelle

• Institut des Sciences de la Terre de Paris
• IFP@EN

Résumé

Le but de cette thèse est de décrire l’impact des fluctuations thermiques quantiques sur les spectres XANES et RMN du solide, à l’aide d’une étude conjointe expérimentale et théorique. Ce projet comporte deux volets. D’une part, il s’agit d’acquérir des données expérimentales de très bonne qualité, afin d’observer et comprendre l’influence des vibrations quantiques dans les oxydes d'éléments légers. D’autre part, un modèle théorique est mis en place afin de reproduire les effets observés expérimentalement et décrire leur origine d’un point de vue fondamental. L’approche théorique développée est fondée sur la théorie de la fonctionnelle de la densité. Dans le cadre de l’approximation de Born-Oppenheimer et de l’approximation quasiharmonique, les fluctuations thermiques de nature quantiques sont modélisées en générant des configurations atomiques obéissant à la statistique quantique à température finie. Les spectres XANES et paramètres RMN sont, par la suite, calculés dans ces configurations et les résultats moyens sont comparés aux données spectroscopiques à température finie.

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Abstract

In this thesis the impact of quantum thermal fluctuations on XANES and solid-state NMR spectra is described using an experimental and theoretical joint study. This project has two components. First, high-quality experimental data are acquired in order to observe and understand the influence of quantum vibrations in light-elements oxides. Second, a theoretical model is set up to reproduce the effects observed experimentally and describe their origin from a fundamental point of view. The developed theoretical approach is based on the density-functional theory. Within the Born-Oppenheimer and quasiharmonic approximations, the quantum thermal fluctuations of nuclei are modeled by generating atomic configurations obeying quantum statistics at finite temperature. The XANES spectra and NMR parameters are subsequently calculated in these configurations and the average results are compared with spectroscopic data at finite temperature.

Composition du jury

• Olivier Peyrusse - Univ. Aix-Marseille - Rapporteur
• Sylvain Cristol - Univ. Lille 1 - Rapporteur
• Keith Gilmore - ESRF - Examinateur
• Florent Boucher - IMN - Examinateur
• Pierre Florian - CEMHTI - Examinateur
• Massimiliano Marangolo - INSP - Examinateur
• Delphine Cabaret - IMPMC - Directrice de thèse
• Christel Gervais - LCMCP - Co-directrice de thèse

Publications

• Ruidy Nemausat, Delphine Cabaret, Christel Gervais, Christian Brouder, Nicolas Trcera et al. 
  Phonon effects on x-ray absorption and nuclear magnetic resonance spectroscopies
  Physical Review B : Condensed matter and materials physics, American Physical Society, 2015, 92 (14), pp.144310.
  DOI : 10.1103/PhysRevB.92.144310
  Ref HAL : hal-01224258v1
• Ruidy Nemausat, Christel Gervais, Christian Brouder, Nicolas Trcera, Amélie Bordage et al.
  Temperature dependence of X-ray absorption and nuclear magnetic resonance spectra: probing quantum vibrations of light elements in oxides
  Physical Chemistry Chemical Physics, Royal Society of Chemistry, 2017, 19 (8), pp.6246 - 6256.
  DOI : 10.1039/C6CP08393E
  Ref HAL : hal-01480345v1

Congrés

• Communication dans un congrès
  Ruidy Nemausat, Ch Brouder, Christel Gervais, D Cabaret.
  First-principles study of phonon effects in x-ray absorption near-edge structure spectroscopy
  The 16th International Conference on X-ray Absorption Fine Structure (XAFS16), Aug 2015, Karlsruhe, Germany. IOP Publishing Ltd Journal of Physics: Conference Series, 712, 2016, 16th International Conference on X-ray Absorption Fine Structure (XAFS16) 23-28 August 2015, Karlsruhe, Germany.
  DOI : 10.1088/1742-6596/712/1/012006
  Ref HAL : hal-01502193v1