We present a comprehensive theoretical study of the physical phenomena that determine the relative energies of the three of the lowest electronic states of each of the square-planar copper complexes $\cucl$, $\cunh$ and $\cuwater$, and present a detailed analysis of the extent to which truncated configuration interaction (CI) and coupled cluster (CC) theories succeed in predicing the excitation energies. We find that ligand-metal charge transfer (CT) single excitations play a crucial role in the correct determination of the properties of these systems, even though the CT processes first occur at fourth order in perturbation theory, and propose a suitable choice of minimal active space for describing these systems with multi-reference theories. CCSD energy differences agree very well with near full CI values even though the T1 diagnostics are large, which casts doubt on the usefulness of singles-amplitude based multi-reference diagnostics. CISD severely underestimates the excitation energies and the failure is a direct consequence of the size-inconsisency errors in CISD. Finally, we present reference values for the energy differences computed using explicitly correlated CCSD(T) and BCCD(T) theory.

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A collision-induced dissociation study of hydrated protonated uracil (H 2 O) n=1-15 UH + clusters is reported. The mass-selected clusters collide with water molecules and rare gases at a controlled center of mass collision energy. From these measurements, absolute fragmentation cross sections and branching ratios are extracted as a function of the uracil hydration. For small clusters, up to n = 4, we observe that only neutral water molecules are evaporated upon collisions, whereas for larger clusters neutral uracil is also evaporated: this transition in the nature of the evaporation products is interpreted considering the lowest-energy isomers of each species that are obtained from a combination of density-functional based tight-binding (DFTB) and MP2 calculations. The simulations show that in (H 2 O) 1-4 UH + the proton is located on the uracil molecule or on a water molecule strongly bound to uracil whereas, in larger clusters, the proton is bound to water molecules far from uracil. This correlation between the structure of the low-energy isomers and the experimental fragmentation channel suggests that dissociation may occur in a very short time after collisions, so that energy has not enough time to be redistributed among all degrees of freedom and the ground-state geometry of the parent cluster partly determines the nature of the favored fragmentation channels. Of course, thermal dissociations originating from long lived, thus thermalized, collision complexes cannot be ruled out but they are not expected to play the major role since experimental results can be satisfactorily accounted for by assuming that the fragmentation processes are mainly impulsive. 2

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Les molécules-aimants sont des complexes moléculaires contenant des ions des métaux de transition ou des lanthanides capables de présenter le phénomène de blocage de l’aimantation en dessous d’une température de blocage Tb. Ce blocage est dû à la présence d’une barrière d’énergie de réorientation de leur aimantation à cause de la présence d’une anisotropie magnétique uniaxiale qui conduit à la présence de deux états stables de l’aimantation.Ces deux états stables sont adressables avec un champ magnétique extérieur. Il est donc,théoriquement, envisageable d’utiliser ces molécules comme unités de base pour le stockage « classique » de l’information.Néanmoins, à cause de la nature quantique des molécules, une relaxation entre les deux états de l’aimantation a lieu à basse température par effet tunnel à travers la barrière d’énergie. Cet effet tunnel a plusieurs causes dont une correspondant à une légère déviation de l’anisotropie magnétique de la situation strictement axiale. Cet effet annule le caractère bistable (classique) des molécules les rendant inutilisables comme bits classiques pour le stockage de l’information. Mais, la présence de l’effet tunnel conduit à une situation particulière à basse température où deux niveaux sont présents séparés par une énergie liée au caractère non axiale (rhombique) de l’aimantation (cas où le spin est entier). Un système à deux niveaux est appelé bit quantique(qubit) et constitue l’unité de base pour la construction d’ordinateurs quantiques si plusieurs conditions sont réunies.Ainsi, pour concevoir des bits classiques ou quantiques, il est indispensable comprendre au niveau microscopique la nature de l’anisotropie magnétique et les facteurs qui l’influencent.Ce travail de thèse est consacré à l’étude théorique de la nature de l’anisotropie magnétique dans des complexes mononucléaires et binucléaires de Ni(II) (S = 1)et de Co(II) (S = 3/2). Des calculs de type ab initio, basés sur la théorie de la fonction d’onde,qui permettent d’extraire les paramètres de l’hamiltonien de spin de l’anisotropie magnétique ont été effectués. Des calculs sur des objets modèles et molécules réelles qui permettent de séparer l’effet des différents paramètres structuraux et électroniques des ligands sur la nature et l’amplitude de l’anisotropie magnétique ont aussi été réalisés.La comparaison entre les calculs sur des complexes modèles et sur des complexes réels permet de rationaliser les propriétés magnétiques des complexes réels et surtout de proposer des stratégies pour la synthèse de nouveaux complexes avec les propriétés souhaitées. L’étude de complexes binucléaires qui peuvent être considérés comme la première étape pour la conception de porte logique quantique a été réalisée. Les calculs sur les complexes binucléaires sont réalisés en fragmentant les molécules en deux espèces mononucléaires. Pour les complexes binucléaires de Ni(II) et Co(II), des calculs de type Density Functional Theory (DFT) pour évaluer l’amplitude et la nature de l’interaction d’échange ont été menés. Pour étudier l’influence d’une perturbation extérieure sur les propriétés magnétiques, l’influence d’un champ électrique placé parallèle et perpendiculaire à l’axe de facile aimantation d’un complexe de Ni(II) a été étudiée. Le champ électrique peut influencer les propriétés d’anisotropie de manière importante ouvrant la possibilité à la manipulation des molécules par cette perturbation.

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