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The spectral emission of hot C60 has been experimentally shown to be broad and continuous, in apparent contradiction with the discrete and narrow absorption spectrum associated with the high symmetry of buckminsterfullerene. In the present work we computationally model the emission spectrum of isolated carbon clusters, assuming a broad distribution of isomers that are likely populated under the experimental conditions. The contributions of individual structures to the global spectrum correspond to the relaxation via recurrent fluorescence and vibrational emission, electronic and vibrational structures being described by a simple but efficient density-functional-based tight-binding scheme. The model predicts a blackbody-like emission spectrum that is naturally broad and correctly accounts for the experimental measurements, except for a maximum that is quantitatively shifted with respect to Wien's displacement law. To quantify such differences, we introduce an emissivity parameter ɛ as the ratio between the spectral emittance and the corresponding exact blackbody spectrum; ɛ is numerically found to scale as (λT)−2 at leading order with increasing temperature T and for wavelengths λ>350 nm, and we provide a theoretical justification for this behavior. Our results are discussed in the light of the astrophysical detection of interstellar fullerenes, as well as in combustion environments where carbon clusters are relevant in the context of nascent soot particle formation.

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In this theoretical work, we study the vibrational multi-quanta dynamics of nonlinear quantum lattices. Such lattices exhibit a periodic distribution of high-frequency vibrational modes whose dynamics originates in the interplay between the following phenomenons:The dipole-dipole coupling leads to the delocalization of the vibrations and to the formation of vibrational excitons called vibrons.The intramolecular anharmonicity favors an attractive interaction between vibrons responsible for the occurrence of bound states. These states are characterized by a localization of the vibron interdistance and can be viewed as the quantum counterpart of nonlinear classical object like solitons.The vibron-phonon interaction modifies the dynamics through the dressing effect which yields the formation of a polaron, i.e. a vibron dressed by a lattice distortion. This effect induces an increase of the polaron reduced mass and acts as a second nonlinear source.This formalism, applied to alpha-helices and to molecular nanostructures, gives the following results:At biological temperature, an alpha-helix is well described by a 1D model and supports two kinds of bound states which have been observed experimentally. By contrast, at low temperature, the 3D nature of the polaronic states is enhanced.In a finite size nanowire, the singularity of the dressing effect yields the formation of localized states.The local and nonlocal nonlinearities allow for a coherent energy transfer mediated by specific bound states., Dans ce travail théorique, nous présentons une étude de la dynamique vibrationnelle multi-quanta des réseaux quantiques non linéaires. Ces réseaux présentent une distribution périodique de modes de vibration haute fréquence dont la dynamique est le fruit de la compétition entre les phénomènes suivants:Les couplages dipolaires favorisent la délocalisation des vibrations donnant naissance à la propagation d'excitons vibrationnels : les vibrons.L'anharmonicité intramoléculaire favorise une interaction attractive entre les vibrons et entraîne l'apparition d'états liés. Caractérisés par une localisation de l'interdistance vibronique, les états liés sont l'équivalent quantique d'objets non linéaires tels que les solitons.L'interaction vibron-phonon modifie la nature des états à travers le mécanisme d'habillage qui traduit la création de polarons qui sont des vibrons habillés par une déformation du réseau. Ce mécanisme diminue la capacité de délocalisation des polarons et correspond à une seconde source de non linéarité.Notre formalisme, appliqué aux hélices-alpha et aux nanostructures moléculaires, révèle les points suivants:A température biologique, une hélice-alpha, bien représentée par un modèle 1D, est le siège de deux états liés dont la présence a été observée expérimentalement. A basse température, la nature des états polaroniques reflète le caractère 3D des hélices.Dans un nanofil de taille finie, la singularité du mécanisme d'habillage entraîne l'apparition d'états localisés.Les non linéarités locale et non locale permettent un transport énergétique cohérent véhiculé par des états liés liés spécifiques.

In this theoretical work, we study the vibrational multi-quanta dynamics of nonlinear quantum lattices. Such lattices exhibit a periodic distribution of high-frequency vibrational modes whose dynamics originates in the interplay between the following phenomenons:The dipole-dipole coupling leads to the delocalization of the vibrations and to the formation of vibrational excitons called vibrons.The intramolecular anharmonicity favors an attractive interaction between vibrons responsible for the occurrence of bound states. These states are characterized by a localization of the vibron interdistance and can be viewed as the quantum counterpart of nonlinear classical object like solitons.The vibron-phonon interaction modifies the dynamics through the dressing effect which yields the formation of a polaron, i.e. a vibron dressed by a lattice distortion. This effect induces an increase of the polaron reduced mass and acts as a second nonlinear source.This formalism, applied to alpha-helices and to molecular nanostructures, gives the following results:At biological temperature, an alpha-helix is well described by a 1D model and supports two kinds of bound states which have been observed experimentally. By contrast, at low temperature, the 3D nature of the polaronic states is enhanced.In a finite size nanowire, the singularity of the dressing effect yields the formation of localized states.The local and nonlocal nonlinearities allow for a coherent energy transfer mediated by specific bound states.; Dans ce travail théorique, nous présentons une étude de la dynamique vibrationnelle multi-quanta des réseaux quantiques non linéaires. Ces réseaux présentent une distribution périodique de modes de vibration haute fréquence dont la dynamique est le fruit de la compétition entre les phénomènes suivants:Les couplages dipolaires favorisent la délocalisation des vibrations donnant naissance à la propagation d'excitons vibrationnels : les vibrons.L'anharmonicité intramoléculaire favorise une interaction attractive entre les vibrons et entraîne l'apparition d'états liés. Caractérisés par une localisation de l'interdistance vibronique, les états liés sont l'équivalent quantique d'objets non linéaires tels que les solitons.L'interaction vibron-phonon modifie la nature des états à travers le mécanisme d'habillage qui traduit la création de polarons qui sont des vibrons habillés par une déformation du réseau. Ce mécanisme diminue la capacité de délocalisation des polarons et correspond à une seconde source de non linéarité.Notre formalisme, appliqué aux hélices-alpha et aux nanostructures moléculaires, révèle les points suivants:A température biologique, une hélice-alpha, bien représentée par un modèle 1D, est le siège de deux états liés dont la présence a été observée expérimentalement. A basse température, la nature des états polaroniques reflète le caractère 3D des hélices.Dans un nanofil de taille finie, la singularité du mécanisme d'habillage entraîne l'apparition d'états localisés.Les non linéarités locale et non locale permettent un transport énergétique cohérent véhiculé par des états liés liés spécifiques.

The two-vibron dynamics associated to amide-I vibrations in a 3D $\alpha$-helix is described according to a generalized Davydov model. The helix is modeled by three spines of hydrogen-bonded peptide units linked via covalent bonds. It is shown that the two-vibron energy spectrum supports both a two-vibron free states continuum and two kinds of bound states, called TVBS-I and TVBS-II, connected to the trapping of two vibrons onto the same amide-I mode and onto two nearest neighbor amide-I modes belonging to the same spine, respectively. At low temperature, non vanishing interspine hopping constants yield a three dimensional nature of both TVBS-I and TVBS-II which the wave functions extend over the three spines of the helix. At biological temperature, the pairs are confined in a given spine and exhibit the same features as the bound states described within a one-dimensional model. The interplay between the temperature and the 3D nature of the helix is also responsible for the occurrence of a third bound state called TVBS-III which refers to the trapping of two vibrons onto two different spines. The experimental signature of the existence of bound states is discussed through the simulation of their infrared pump-probe spectroscopic response. Finally, the fundamental question of the breather-like behavior of two-vibron bound states is addressed., Comment: 12 pages, 8 figures