Search

Using the simple (symmetric) Hubbard dimer, we analyze some important features of the $GW$ approximation. We show that the problem of the existence of multiple quasiparticle solutions in the (perturbative) one-shot $GW$ method and its partially self-consistent version is solved by full self-consistency. We also analyze the neutral excitation spectrum using the Bethe-Salpeter equation (BSE) formalism within the standard $GW$ approximation and find, in particular, that i) some neutral excitation energies become complex when the electron-electron interaction $U$ increases, which can be traced back to the approximate nature of the $GW$ quasiparticle energies; ii) the BSE formalism yields accurate correlation energies over a wide range of $U$ when the trace (or plasmon) formula is employed; iii) the trace formula is sensitive to the occurrence of complex excitation energies (especially singlet), while the expression obtained from the adiabatic-connection fluctuation-dissipation theorem (ACFDT) is more stable (yet less accurate); iv) the trace formula has the correct behavior for weak (\ie, small $U$) interaction, unlike the ACFDT expression., Comment: 12 pages, 4 figures

I hunt very-high-energy (VHE) emission from three classes of transient sources: Gravitational waves (GW), their possible gamma-ray bursts (GRB) counterparts and fast radio bursts (FRB). I tackle three types of challenges: Preobservation, focusing on efficient scheduling, observation planning and fast telescope response; in-observation, focusing on efficient data acquisition on the transients as an expert on call; post-observation, focusing on efficient data analysis in the search for a significant signal. For the GW events, the poor localization requires a special treatment for the follow-up. I work on the optimization of GW follow-up strategies that rely on the maximization of the probability of detecting counterparts to transient GW events either by using solely GW localization maps or by correlating the local distribution of the galaxies in the Universe with GW maps. The tools are combined in a GW scheduler, tested and assessed. Using the developed tools and acquired skills, I develop automatic response schemes to GW alerts for the H.E.S.S. and LST telescopes and a response to UTMOST FRB alerts for H.E.S.S. I also contribute to the update of the GRB program in H.E.S.S. on the technical follow-up front. With the implemented tools, H.E.S.S observed 6 GW events, of which 4 BBH mergers. Other transient sources, for which I am involved in the analysis, are observed also by H.E.S.S.: GRB 190829A, GW170817 (long-term), FRB events and the soft gamma-ray repeater (SGR) SGR 1935+2145. GRB 190829A is the third GRB to be observed at VHE energies on the ground and the second one by H.E.S.S. The VHE data (in addition to the Xray and UV data for FRB 20171019A) is analysed for the other transients. No significant VHE emission was found during the BBH merger follow-up and the GW170817 long-term follow-up observation campaigns. The same non-detection was found for the FRBs and SGR 1935+2154. For those, a search for variability on the minutes to sub-seconds scale did not lead to any significant detection either. Upper limits are derived from the observations of the transients presented above. These results are published and the upper limits permit to constrain the magnetic field in the GW170817 remnant, to constrain the persistent and transient emission from SGR bursts and to derive prospects for the fourth GW observation run, O4.; Je recherche des émissions de très hautes énergies (VHE) à partir de trois types de sources transitoires : les ondes gravitationnelles, les sursauts gamma qui peuvent en émerger et les sursauts radio rapides. Pour les ondes gravitationnelles, la localisation des évènements sur plusieurs dizaines de degrés dans le ciel nécessite un traitement spécial pour le suivi. J'optimise des stratégies de suivi ondes gravitationnelles qui reposent sur la maximisation de la probabilité de détection d'émission électromagnétique homologue, soit en utilisant uniquement des cartes de localisation, soit en utilisant aussi la distribution locale des galaxies dans l'Univers. Les outils développés sont testés et évalués. À l'aide de ces outils et des compétences acquises, je développe un système de réponse automatique aux alertes ondes gravitationnelles pour les télescopes H.E.S.S. et LST et aux alertes UTMOST pour H.E.S.S. Je contribue à la mise à jour du programme de H.E.S.S. de suivi de sursaut gamma. Avec les outils mis en place, H.E.S.S a observé 6 événements ondes gravitationnelles, dont 4 fusions de trous noires. D'autres sources transitoires sont également observées par H.E.S.S., dont le sursaut gamma GRB 190829A, la fusion d'étoile à neutron GW170817 (à long terme aussi), des sursauts radio rapides et la source SGR 1935+2145. GRB 190829A est le troisième sursaut gamma détecté à très hautes énergies au sol. Les données VHE, sont analysées (ainsi que les données X et UV pour FRB 20171019A) pour les autres sources. Aucune émission significative de VHE n'a été trouvée durant les suivis des fusions de trous noirs et durant la campagne d'observation à long terme de GW170817, ainsi que pour les sursauts radio rapide et la source SGR 1935+2154. Je déduis des limites supérieures et publie ces résultats. Les limites déduites permettent de contraindre le champ magnétique dans le vestige de GW170817, de placer des limites supérieures sur l'émission VHE persistante et transitoire provenant des sursauteurs gamma mou, et d'établir des perspectives pour O4.

Carbon capture and sequestration is emerging as an important technologyfor mitigation of climate change. Novel porous materials acting as solidstate adsorbents for CO2 gas have shown promising use of energy efficientcarbon capture using temperature and pressure swing operation forcapture. Metal-organic frameworks (MOFs), crystalline hybrid porousmaterials made up of organic linkers and metal nodes, constitute animportant family of candidate materials for carbon capture. MOFsfunctionalized with azobenzene, a widely studied photoswitch capable ofchanging its geometry from trans to cis configurations and vice-versaupon UV-Vis irradiation, are capable of capturing carbon with lightstimulated photoswitching process. The use of light as a stimulus, inthis case, can reduce greatly the energy costs of the carbon capture.Modeling atomistically the azobenzene functionalized PCN-123 MOF withinthe density functional theory (DFT), the correct ground state geometryof the photoswitch in cis and trans configuration is determined bycalculating potential energy surfaces along relevant degrees of freedom.This immediately reveals the microscopic mechanism of the carboncapture to be the blocking and unblocking of the metal-node, a prominentadsorption site of CO2, by the cis and trans configurations ofazobenzene. To achieve high efficiency of gas capture using such MOFs,the photoswitching of the azobenzene must be controlled by using lightstimuli of appropriate wavelengths yielding higher fractions of eitherisomers. A detailed understanding of the optical absorption of theazobenzene photoswitches is indispensable for the same. State-of-the-artmany-body perturbation theory (MBPT) methods, namely GW andBethe-Salpeter equation (BSE), are used to accurately compute andcharacterize the optical spectra of solvated azobenzene derivatives andazobenzene functionalized MOF. In case of solvated azobenzene molecules,the GW/BSE approach is combined with a non-equilibrium embedding schemeto account for the dielectric screening by the solvents. The problem ofthe dependence of the BSE spectra on DFT exchange-correlation functionalis addressed by tuning the PBE global hybrid functional such that theDFT and GW ionization potentials (IP) are matched to the fulfillment ofthe DFT ionization potential (IP) theorem. The IP-tuning coupled withnon-equilibrium embedding at BSE/GW yields very accurate excitationenergies and cis-trans band separations of a range of azobenzenederivatives. The BSE/GW spectra of PCN-123 MOF with cis or transconfigurations are calculated using both the periodic and molecularmodels using semilocal DFT starting point. In the low energy regime,visible, near UV and mid UV, optical excitations of the azobenzenefunctionalized MOF are associated with the azobenzene functionalization.In the low-energy regime, the BSE/GW spectra of the embedded molecularmodels of the MOF are in a reasonable agreement with thoseof periodic MOF paving way for computationally cheaper estimation of theoptical spectra of ligand-functionalized MOFs. A noticeable differencein the periodic and molecular spectra is the larger intensity of the S1excitation in the former which suggests a possibly more efficientphotoswitching of the azobenzene in the MOF than a standalone molecule.The use of MBPT methods also allows for a quantitative estimation of theelectron addition and removal energies for the MOFs. The parent MOF ofPCN-123, the MOF-5 was earlier considered as a semiconductor by severalcomputational and experimental studies. The GW/BSE calculations carriedout here suggest that it is a wide gap (8 eV) insulator with itsoptical excitations featuring strong excitonic bindings of more than 3eVs. Overall, the thesis sheds new light on the charged and neutralexcitations in azobenzene functionalized MOF suggesting new efficientand accurate computational strategies., De nouveaux matériaux poreux agissant comme des adsorbants à l'état solide pour le gaz CO2 ont montré une utilisation prometteuse de la capture du carbone à haut rendement énergétique en utilisant un fonctionnement à température et pression variables. Les cadres métal-organique (MOF), des matériaux poreux hybrides cristallins constitués de liaisons organiques et de nœuds métalliques, constituent une famille importante de matériaux candidats pour le piégeage du carbone. Les MOF fonctionnalisés avec de l'azobenzène, un photoswitch largement étudié capable de changer sa géométrie de configuration trans à cis et vice-versa, sont capables de capturer le carbone avec un processus stimulé par la lumière. L'utilisation de la lumière comme stimulus peut réduire considérablement les coûts énergétiques du captage du carbone. En modélisant atomiquement l'azobenzène fonctionnalisé PCN-123 MOF dans le cadre de la théorie fonctionnelle de la densité (DFT), la géométrie correcte de l'état fondamental du photoswitch en configuration cis et trans est déterminée en calculant les surfaces d'énergie potentielles selon les degrés de liberté pertinents. Cela révèle immédiatement que le mécanisme microscopique de la capture du carbone est le blocage et le déblocage du nœud métallique, un site d'adsorption important du CO2, par les configurations cis et trans de l'azobenzène. Pour obtenir une grande efficacité du captage de gaz à l'aide de ces MOF, la commutation de la lumière doit être contrôlée en utilisant des stimuli lumineux de longueurs d'onde appropriées qui donnent des fractions plus élevées de l'un ou l'autre des isomères. Une compréhension détaillée de l'absorption optique des photoswitches de l'azobenzène est indispensable pour cela. Les méthodes de pointe de la théorie des perturbations à corps multiples (MBPT), à savoir la GW et l'équation de Bethe-Salpeter (BSE), sont utilisées pour calculer et caractériser avec précision les spectres optiques des azobenzènes solvatés et des MOF fonctionnalisés par l'azobenzène. Dans le cas des molécules d'azobenzène solvatées, l'approche GW/BSE est combinée avec un schéma d'encastrement hors équilibre pour tenir compte du criblage diélectrique par les solvants. Le problème de la dépendance des spectres de l'ESB à la fonction d'échange-corrélation de la TFD est résolu en réglant la fonction hybride globale PBE de telle sorte que les potentiels d'ionisation (IP) de la TFD et de la GW soient adaptés à la réalisation du théorème du potentiel d'ionisation (IP) de la TFD. Le réglage du potentiel d'ionisation couplé à l'intégration en non-équilibre à l'ESB/GW permet d'obtenir des énergies d'excitation très précises et des séparations de bandes cis-trans d'une série de dérivés de l'azobenzène. Les spectres ESB/GW du MOF PCN-123 avec des configurations cis ou trans sont calculés à l'aide des modèles périodiques et moléculaires en utilisant le point de départ de la TFD semi-focale. Dans le régime de basse énergie, le visible, le proche UV et le moyen UV, les excitations optiques du MOF fonctionnalisé par l'azobenzène sont associées à l'azobenzène. Dans le régime de basse énergie, les spectres ESB/GW des modèles moléculaires intégrés des MOF sont en accord raisonnable avec ceux des MOF périodiques, ce qui permet d'estimer à moindre coût les spectres optiques des MOF fonctionnalisés par des ligands. L'utilisation des méthodes MBPT permet également une estimation quantitative des énergies d'addition et d'élimination des électrons pour les MOF. Le MOF-5, le MOF parent du PCN-123, était auparavant considéré comme un semi-conducteur par plusieurs études informatiques et expérimentales. Les calculs GW/BSE effectués ici suggèrent qu'il s'agit d'un isolant à large gap (8 eV) avec ses excitations optiques présentant de fortes liaisons excitoniques de plus de 3 eVs.

International audience; Electronic structure of series of tellurium oxide crystals within the TeO 2-TeO 3 binary system is studied with generalized gradient approximation to DFT, hybrid DFT-HF method with the PBE0 and B3LYP exchange-correlation functionals and with quasiparticle G 0 W 0 approach. Comparison with available experimental data revealed significant underestimation of the band gap values within DFT. The hybrid DFT-HF method leads to slightly overestimated values of the bandgap, and the best agreement with experimental data provides the "one-shot" G 0 W 0 calculations starting from Kohn-Sham solutions. The electronic structure of tellurium oxides is discussed in details. It is found that bandgap value decreases proportionally to fraction of tellurium atoms in octahedral coordination. This change is due to formation of gap states by 5s(Te) electrons which do not participate in Te(VI)-O bonding. Dielectric properties is calculated within Random Phase approximation for the series of tellurium oxides and high nonlinear properties of the compounds is predicted by empirical Miller's rule.

International audience; Gravity waves (GWs) play an important role in transferring energy and momentum from the troposphere to the middle atmosphere. However, shorter-scale GWs are generally not explicitly resolved in general circulation models but need to be parameterized instead. Super pressure balloons provide direct access to measure GW characteristics as a function of wave intrinsic frequency that are needed for these parameterizations. The 30 s sampling rate of the GPS receivers carried on the balloons deployed in the 2010 Concordiasi campaign in the Antarctic is much higher compared to the previous campaigns and can cover the full range of the GW spectrum. Two among 19 balloons are also equipped with the dual-frequency GPS receivers initially developed for GPS radio occultation research in addition to the single-frequency receivers, which are expected to provide better positions for GW parameter estimations. Improvements of the positions are significant, from 3-10 m horizontal and 5 m vertical to 0.1 and 0.2 m, respectively, which makes it possible to resolve the Eulerian pressure independently of altitude for the intrinsic phase speed estimation. The lower position accuracy in the previous analysis of campaign results from the single-frequency GPS receiver was primarily due to a problem with the onboard clock that is not present in the new results. The impacts of the position improvements on the final GW parameters are highlighted, with larger difference in momentum flux for the shorter-scale GWs than for the longer scale GWs and significant difference in the distribution of the intrinsic phase speed.

International audience; The most applied ab initio method to determine the transition energies to electronically excited states, namely time-dependent density functional theory (TD-DFT), is now well mastered, but alternative approaches can be necessary to circumvent some of the specific limitations of TD-DFT. In that framework, the Bethe-Salpeter method, following a GW calculation of quasiparticle energies, is certainly an attractive approach with the same scaling with system size as TD-DFT, though its accuracy remains to be completely defined, at least for molecular systems. In the present work, we investigate the performances of a partially self-consistent BSE/GW approach in which the starting DFT eigenvalues (but not eigenvectors) are updated. We particularly focus on the convergence of the calculations, the residual impact of the starting eigenstates and the selection of an adequate atomic basis set. This study provides some guidelines allowing to apply BSE/GW in a computationally efficient way and also highlights some limitations of the non-self-consistent BSE/G(0)W(0) approach. [GRAPHICS] .

This thesis contains three different topics, all related to electronic structure problems. These three topics are presented in three independent parts.This thesis begins with a general introduction presenting the problematics and main results.The first part is concerned with Density Functional Theory (DFT), for spin-polarized models. This part is divided in two chapters. In the first of these chapters, the notion of N-representability is introduced and the characterizations of the N-representable sets of spin-density 2X2 matrices are given. In the second chapter, we show how to mathematically treat the Zeeman term in spin-polarized DFT models. The existence of minimizers that was proved in (Anantharaman, Cancès 2009) for spin-unpolarized Kohn-Sham models within the local density approximation is extended to spin-polarized models.The second part of this thesis focuses on the GW approximation. We first give a mathematical definition of the one-body Green's function, and explain why methods based on Green's functions can be used to calculate electronic-excited energies of molecules. One way to compute an approximation of the Green's function is through the self-consistent GW equations. The well-posedness of these equations is discussed, and proved in the GW0 case in a perturbative regime. This is joint work with Eric Cancès and Gabriel Stoltz.In the third and final part, numerical methods to compute band-diagrams of crystalline structure are analyzed. This part is divided in two chapters.In the first one, we consider a perfect crystal in the reduced Hartree-Fock approximation (see (Cances, Deleurence, Lewin 2008)). We prove that, if the crystal is an insulator or a semi-conductor, then supercell calculations converge to the exact solution with an exponential rate of convergence with respect to the size of the supercell. This is joint work with Salma Lahbabi. In the last chapter, we provide a new numerical method to calculate the band diagram of a crystal (which can be either an insulator or a conductor). This method, based on reduced basis techniques, speeds up traditional calculations. This is joint work with Eric Cancès, Virginie Ehrlacher, and Damiano Lombardi, Cette thèse comprend trois sujets différents, tous en rapport à des problèmes de structures électroniques. Ces trois sujets sont présentés dans trois parties indépendantes.Cette thèse commence par une introduction générale présentant les problématiques et les principaux résultats.La première partie traite de la théorie de la fonctionnelle de la densité lorsqu'elle est appliquée aux modèles d'électrons avec spins polarisés. Cette partie est divisée en deux chapitres. Dans le premier de ces chapitres, nous introduisons la notion de N-représentabilité, et nous caractérisons les ensembles de matrices de densité de spin représentables. Dans le second chapitre, nous montrons comment traiter mathématiquement le terme de Zeeman qui apparaît dans les modèles comprenant une polarisation de spin. Le résultat d'existence qui est démontré dans (Anantharaman, Cancès 2009) pour des systèmes de Kohn-Sham sans polarisation de spin est étendu au cas des systèmes avec polarisation de spin.Dans la seconde partie, nous étudions l'approximation GW. Dans un premier temps, nous donnons une définition mathématique de la fonction de Green à un corps, et nous expliquons comment les énergies d'excitation des molécules peuvent être obtenues à partir de cette fonction de Green. La fonction de Green peut être numériquement approchée par la résolution des équations GW. Nous discutons du caractère bien posé de ces équations, et nous démontrons que les équations GW0 sont bien posées dans un régime perturbatif. Ce travail a été effectué en collaboration avec Eric Cancès et Gabriel Stoltz.Dans le troisième et dernière partie, nous analysons des méthodes numériques pour calculer les diagrammes de bandes de structures cristallines. Cette partie est divisée en deux chapitres. Dans le premier, nous nous intéressons à l'approximation de Hartree-Fock réduite (voir (Cances, Deleurence, Lewin 2008)). Nous prouvons que si le cristal est un insolant ou un semi-conducteur, alors les calculs réalisés dans des supercellules convergent exponentiellement vite vers la solution exacte lorsque la taille de la supercellule tend vers l'infini. Ce travail a été réalisé en collaboration avec Salma Lahbabi. Dans le dernier chapitre, nous présentons une nouvelle méthode numérique pour le calcul des diagrammes de bandes de cristaux (qui peuvent être aussi bien isolants que conducteurs). Cette méthode utilise la technique des bases réduites, et accélère les méthodes traditionnelles. Ce travail a été fait en collaboration avec Eric Cancès, Virginie Ehrlacher et Damiano Lombardi

This thesis contains three different topics, all related to electronic structure problems. These three topics are presented in three independent parts.This thesis begins with a general introduction presenting the problematics and main results.The first part is concerned with Density Functional Theory (DFT), for spin-polarized models. This part is divided in two chapters. In the first of these chapters, the notion of N-representability is introduced and the characterizations of the N-representable sets of spin-density 2X2 matrices are given. In the second chapter, we show how to mathematically treat the Zeeman term in spin-polarized DFT models. The existence of minimizers that was proved in (Anantharaman, Cancès 2009) for spin-unpolarized Kohn-Sham models within the local density approximation is extended to spin-polarized models.The second part of this thesis focuses on the GW approximation. We first give a mathematical definition of the one-body Green's function, and explain why methods based on Green's functions can be used to calculate electronic-excited energies of molecules. One way to compute an approximation of the Green's function is through the self-consistent GW equations. The well-posedness of these equations is discussed, and proved in the GW0 case in a perturbative regime. This is joint work with Eric Cancès and Gabriel Stoltz.In the third and final part, numerical methods to compute band-diagrams of crystalline structure are analyzed. This part is divided in two chapters.In the first one, we consider a perfect crystal in the reduced Hartree-Fock approximation (see (Cances, Deleurence, Lewin 2008)). We prove that, if the crystal is an insulator or a semi-conductor, then supercell calculations converge to the exact solution with an exponential rate of convergence with respect to the size of the supercell. This is joint work with Salma Lahbabi. In the last chapter, we provide a new numerical method to calculate the band diagram of a crystal (which can be either an insulator or a conductor). This method, based on reduced basis techniques, speeds up traditional calculations. This is joint work with Eric Cancès, Virginie Ehrlacher, and Damiano Lombardi, Cette thèse comprend trois sujets différents, tous en rapport à des problèmes de structures électroniques. Ces trois sujets sont présentés dans trois parties indépendantes.Cette thèse commence par une introduction générale présentant les problématiques et les principaux résultats.La première partie traite de la théorie de la fonctionnelle de la densité lorsqu'elle est appliquée aux modèles d'électrons avec spins polarisés. Cette partie est divisée en deux chapitres. Dans le premier de ces chapitres, nous introduisons la notion de N-représentabilité, et nous caractérisons les ensembles de matrices de densité de spin représentables. Dans le second chapitre, nous montrons comment traiter mathématiquement le terme de Zeeman qui apparaît dans les modèles comprenant une polarisation de spin. Le résultat d'existence qui est démontré dans (Anantharaman, Cancès 2009) pour des systèmes de Kohn-Sham sans polarisation de spin est étendu au cas des systèmes avec polarisation de spin.Dans la seconde partie, nous étudions l'approximation GW. Dans un premier temps, nous donnons une définition mathématique de la fonction de Green à un corps, et nous expliquons comment les énergies d'excitation des molécules peuvent être obtenues à partir de cette fonction de Green. La fonction de Green peut être numériquement approchée par la résolution des équations GW. Nous discutons du caractère bien posé de ces équations, et nous démontrons que les équations GW0 sont bien posées dans un régime perturbatif. Ce travail a été effectué en collaboration avec Eric Cancès et Gabriel Stoltz.Dans le troisième et dernière partie, nous analysons des méthodes numériques pour calculer les diagrammes de bandes de structures cristallines. Cette partie est divisée en deux chapitres. Dans le premier, nous nous intéressons à l'approximation de Hartree-Fock réduite (voir (Cances, Deleurence, Lewin 2008)). Nous prouvons que si le cristal est un insolant ou un semi-conducteur, alors les calculs réalisés dans des supercellules convergent exponentiellement vite vers la solution exacte lorsque la taille de la supercellule tend vers l'infini. Ce travail a été réalisé en collaboration avec Salma Lahbabi. Dans le dernier chapitre, nous présentons une nouvelle méthode numérique pour le calcul des diagrammes de bandes de cristaux (qui peuvent être aussi bien isolants que conducteurs). Cette méthode utilise la technique des bases réduites, et accélère les méthodes traditionnelles. Ce travail a été fait en collaboration avec Eric Cancès, Virginie Ehrlacher et Damiano Lombardi

178 pages; My thesis fits into the domain of theoretical spectroscopy. This term describes a set of theoretical approaches that go hand-in-hand with several experimental techniques such as optical absorption and reflectivity, inelastic X-ray scattering (IXS), electron energy-loss spectroscopy (EELS) and photoelectron (or photoe- mission) spectroscopy. This set of ab-initio theories is used to simulate, study, predict and understand what is and will be seen in experiment. These spectro- scopies are all connected to the dielectric function ε(ω ) of an electronic system which is, in fact, a fundamental quantity in many modern electronic structure theories. In particular I focused my research on photoemission spectroscopy, where the dielectric function enters as the screening of the hole due to the sys- tem. During my thesis I have worked on the development of new theoretical approaches, the aim of my project being to go beyond state-of-the-art meth- ods used in electronic structure calculations. These methods stem mainly from two larger theoretical frameworks: Time-Dependent Density-Functional The- ory (TDDFT) and Green's function theory -- also known as Many-Body Pertur- bation Theory (MBPT). I carried on the theoretical development in parallel with numerical simulations on real materials and with experimental measurements, performed to verify the reliability of theory.

Spectroscopy and quantum transport constitute powerful ways to study the physics of matter and to access the electronic and atomic structure. Excitations, in turn determined by the electronic and atomic structure, lie at the origin of spectroscopy and quantum transport. Ab initio calculation of excited states requires to go beyond ground-state density-functional theory (DFT). In this work we review three theoretical frameworks beyond DFT: the first is time-dependent density-functional theory to describe neutral excitations and to address energy-loss and optical spectroscopies. We introduce the theory and the fundamental approximations, i.e. the RPA and the adiabatic LDA, together with the results one can get with them at the example of bulk silicon and graphite. We then describe the developments we contributed to the theory beyond TDLDA to better describe optical spectroscopy, in particular the long-range contribution-only and the Nanoquanta exchange-correlation kernel approximations. The second framework is many-body quantum field theory (or Green's function theory) in the GW approximation and beyond, well suited to describe photoemission spectroscopy. After a review of the theory and its main success on the prediction of the band gap, we present two applications on unconventional systems: 2D graphene and strongly correlated vanadium dioxide. We discuss the next frontiers of GW, closing with perspectives beyond GW and MBQFT. The last part presents non-equilibrium Green's function theory suited to address quantum transport. We show how it reduces to the state-of-the-art Landauer principal layers framework when neglecting correlations. We present a calculation of the conductance on a very simple system, a gold monoatomic chain, showing the effect of electron-electron scattering effects. Finally we present theoretical developments toward a new workbench beyond the principal layers, which led us to the introduction of new generalized Meir and Wingreen and Fisher-Lee formulas. This work compares the theoretical and practical aspects of both Green's function and density based approaches, each one benefiting insights from the other, and presents an overview of accomplishments and perspectives.

The failure of bands alignment models to predict bands alignment in MOS stack (metal-oxide-semiconductor) make it useful and interesting an atomistic study. We show two ab initio theories: Firstly the density functional theory of which depend the Abinit and Siesta codes used to study the quantum nature of materials; then the GW approximation theory which correct electronic energy levels badly assessed with the approximation used in DFT computation. These two theories are applied to each material compounding the stack. Then we study how the dipole interferes with the bands alignment. Thanks to the GW approximation, the Van de Walle and Martin method is retrofit to evaluate precisely these bands alignment. Finally this method is applied to several oxide/semiconductor and metal/oxide interfaces and shows that the band alignment computed are in good agreement with experimental measurements., L'échec des modèles pour prévoir l'alignement de bandes dans un empilement MOS (métal-oxyde-semiconducteur) rend utile et intéressant une étude à l'échelle atomique. Nous exposons deux théories ab initio: d'abord la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT), dont dépendent les codes Abinit et Siesta utilisés pour étudier la nature quantique des matériaux ; puis la théorie de l'approximation GW qui corrige les niveaux d'énergies électroniques mal évalués avec l'approximation utilisée en DFT. Ces deux théories sont appliquées à chaque matériau composant l'empilement. Puis nous étudions la façon dont intervient le dipôle dans l'alignement de bandes. La méthode de Van de Walle et Martin est adaptée pour évaluer de façon précise ces alignements grâce à l'approximation GW. Enfin cette méthode est appliquée aux différentes interfaces oxyde/semiconducteur et métal/oxyde et montre que les alignements de bandes estimés par simulation tendent vers un accord avec les mesures expérimentales.

The failure of bands alignment models to predict bands alignment in MOS stack (metal-oxide-semiconductor) make it useful and interesting an atomistic study. We show two ab initio theories: Firstly the density functional theory of which depend the Abinit and Siesta codes used to study the quantum nature of materials; then the GW approximation theory which correct electronic energy levels badly assessed with the approximation used in DFT computation. These two theories are applied to each material compounding the stack. Then we study how the dipole interferes with the bands alignment. Thanks to the GW approximation, the Van de Walle and Martin method is retrofit to evaluate precisely these bands alignment. Finally this method is applied to several oxide/semiconductor and metal/oxide interfaces and shows that the band alignment computed are in good agreement with experimental measurements., L'échec des modèles pour prévoir l'alignement de bandes dans un empilement MOS (métal-oxyde-semiconducteur) rend utile et intéressant une étude à l'échelle atomique. Nous exposons deux théories ab initio: d'abord la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT), dont dépendent les codes Abinit et Siesta utilisés pour étudier la nature quantique des matériaux ; puis la théorie de l'approximation GW qui corrige les niveaux d'énergies électroniques mal évalués avec l'approximation utilisée en DFT. Ces deux théories sont appliquées à chaque matériau composant l'empilement. Puis nous étudions la façon dont intervient le dipôle dans l'alignement de bandes. La méthode de Van de Walle et Martin est adaptée pour évaluer de façon précise ces alignements grâce à l'approximation GW. Enfin cette méthode est appliquée aux différentes interfaces oxyde/semiconducteur et métal/oxyde et montre que les alignements de bandes estimés par simulation tendent vers un accord avec les mesures expérimentales.

Long term stabilised lasers are used in a multitude of metrological applications ; in the last few years their prospective use for space applications has been growing, fundamental physics experiments, geodesy...This work concerns the stable lasers for the LISA project; in view of the potential space application, many criteria- compactness, mechanical stability, robustness and reliability- must be satisfied.The possible references useful for the long term (iodine) and the short term (FP cavity) time intervals will be described together with their principal limitations. The discussion leading to their choice is coupled with the analysis of the stabilisation techniques to be implemented (PDH, Tilt-Locking, Modulation transfer).Among the stabilisation techniques, the state of the art Pound-Drever-Hall (PDH) technique will be compared to the DC, active components poor Tilt Locking in the case of a monolithic Fabry-Perot reference.For each technique and each reference, the description of noise sources and the expected error signals will be shown trhough simulation. Theoretical performances on the long term and quantum efficiencies will be compared for different techniques.The second part gives the schematic principles of the experiences and the results obtained for lasers stabilised on Fabry-Perot oscillators and molecular iodine. To calibrate the Fabry-Perot drifts, its resonance frequency will be measured vs. the molecular transition, this will coupled with analytical and numerical solutions to control the length of this mechanical reference.Finally in the appendices details about noise order of magnitudes for LISA (leading to laser specification), a theoretical overview of gravitational waves as well as different simulations and calculations will be shown.; Les lasers stabilisés à long terme sont utilisés dans de nombreux domaines en métrologie, leur incursion dans les applications spatiales se précise depuis quelques années, missions de physique fondamentale, géodésie... Ce travail concerne les lasers stables pour le projet LISA (détection spatiale des ondes de gravitation, mission prévue dans 10 ans); en vue de cette application spatiale, les montages doivent satisfaire plusieurs critères: compacité, stabilité mécanique, robustesse et fiabilité. Les références utilisables pour l'asservissement long terme (iode, chapitre 3) et court terme (cavité de Fabry-Pérot, chapitre 4) sont décrites, ainsi que leurs limitations principales. L'analyse et le choix de ces références de stabilisation seront couplés avec le choix des techniques de stabilisation (PDH, Tilt-Locking, Modulation Transfer). Dans les techniques de stabilisation, celle de Pound-Drever-Hall (PDH), un classique en matière de configuration, est comparée au Tilt-Locking, une technique continu et peu consommatrice en énergie, dans le cas d'une référence Fabry-Perot monolithique. Les calcules théorique pour chaque technique et chaque type de référence ammeneront à une description des sources de bruit et à une simulation des signaux d'erreur attendus. Les performances théoriques sur le long terme et les efficacités quantiques sont intercomparées. La deuxième partie, présentera les montages expérimentaux et les résultats obtenus, pour des lasers stabilisés sur Fabry-Perot et sur l'Iode moléculaire. Pour calibrer les dérives de fréquence du Fabry-Perot, sa fréquence de résonance sera mesurée par rapport à celle de la molécule, ce qui permettra de présenter des solutions obtenues analytiquement et numériquement pour l'asservissement en longueur de cette référence mécanique. En appendices, les détails de dimensionnement des bruits de LISA conduisant aux spécifications des lasers, le rappel théorique des ondes de gravitation ainsi que divers simulations de calculs effectués.

Long term stabilised lasers are used in a multitude of metrological applications ; in the last few years their prospective use for space applications has been growing, fundamental physics experiments, geodesy...This work concerns the stable lasers for the LISA project; in view of the potential space application, many criteria- compactness, mechanical stability, robustness and reliability- must be satisfied.The possible references useful for the long term (iodine) and the short term (FP cavity) time intervals will be described together with their principal limitations. The discussion leading to their choice is coupled with the analysis of the stabilisation techniques to be implemented (PDH, Tilt-Locking, Modulation transfer).Among the stabilisation techniques, the state of the art Pound-Drever-Hall (PDH) technique will be compared to the DC, active components poor Tilt Locking in the case of a monolithic Fabry-Perot reference.For each technique and each reference, the description of noise sources and the expected error signals will be shown trhough simulation. Theoretical performances on the long term and quantum efficiencies will be compared for different techniques.The second part gives the schematic principles of the experiences and the results obtained for lasers stabilised on Fabry-Perot oscillators and molecular iodine. To calibrate the Fabry-Perot drifts, its resonance frequency will be measured vs. the molecular transition, this will coupled with analytical and numerical solutions to control the length of this mechanical reference.Finally in the appendices details about noise order of magnitudes for LISA (leading to laser specification), a theoretical overview of gravitational waves as well as different simulations and calculations will be shown.; Les lasers stabilisés à long terme sont utilisés dans de nombreux domaines en métrologie, leur incursion dans les applications spatiales se précise depuis quelques années, missions de physique fondamentale, géodésie... Ce travail concerne les lasers stables pour le projet LISA (détection spatiale des ondes de gravitation, mission prévue dans 10 ans); en vue de cette application spatiale, les montages doivent satisfaire plusieurs critères: compacité, stabilité mécanique, robustesse et fiabilité. Les références utilisables pour l'asservissement long terme (iode, chapitre 3) et court terme (cavité de Fabry-Pérot, chapitre 4) sont décrites, ainsi que leurs limitations principales. L'analyse et le choix de ces références de stabilisation seront couplés avec le choix des techniques de stabilisation (PDH, Tilt-Locking, Modulation Transfer). Dans les techniques de stabilisation, celle de Pound-Drever-Hall (PDH), un classique en matière de configuration, est comparée au Tilt-Locking, une technique continu et peu consommatrice en énergie, dans le cas d'une référence Fabry-Perot monolithique. Les calcules théorique pour chaque technique et chaque type de référence ammeneront à une description des sources de bruit et à une simulation des signaux d'erreur attendus. Les performances théoriques sur le long terme et les efficacités quantiques sont intercomparées. La deuxième partie, présentera les montages expérimentaux et les résultats obtenus, pour des lasers stabilisés sur Fabry-Perot et sur l'Iode moléculaire. Pour calibrer les dérives de fréquence du Fabry-Perot, sa fréquence de résonance sera mesurée par rapport à celle de la molécule, ce qui permettra de présenter des solutions obtenues analytiquement et numériquement pour l'asservissement en longueur de cette référence mécanique. En appendices, les détails de dimensionnement des bruits de LISA conduisant aux spécifications des lasers, le rappel théorique des ondes de gravitation ainsi que divers simulations de calculs effectués.