Cette these aborde diverses problematiques concernant les electrons fortement correles dans des systemes bidimensionnels (composes a frustration geometrique, phases a liens de valence resonants), decrits a l'aide de modeles de dimeres. Une partie de la these concerne des modeles classiques sur un reseau triangulaire anisotrope, presentant des phases critiques qu'on peut decrire a l'aide de theories conformes; en se basant sur ces theories, l'analyse numerique de ce modele par matrice de transfert a permis de caracteriser les conditions d'existence de la criticalite, et plus generalement le diagramme de phases du modele en fonction d'interactions a courte portee et de l'anisotropie du reseau.<br />Une autre partie de la these traite un systeme d'electrons sur un reseau pyrochlore bidimensionnel (ou damier) a remplissage commensurable, en interactions a courte portee. Dans une limite de fortes interactions les electrons subissent des contraintes qui se traduisent par un modele effectif de dimeres quantiques (se differentiant par rapport au modele dit de Rokhsar-Kivelson, motive par les etats a liens de valence resonants, par un degre de liberte supplementaire, de spin). Une etude par diagonalisation exacte, completee par une approche variationnelle et des arguments perturbatifs, a permis d'identifier une phase cristalline a singulets resonants; une extension de ce modele a une mobilite finie des electrons a ete consideree pour caracteriser la transition de cette phase isolante vers un etat metallique en fonction du rapport de la mobilite des electrons et de leurs interactions.

L'intégration de systèmes optiques au plus près des détecteurs est un domaine en pleine expansion dans le monde scientifique et industriel. La diminution de l'encombrement et des coûts de ces systèmes contribuerait en effet à une meilleure diffusion de ces derniers dans des applications très diverses. L'objectif de la thèse est d'explorer de nouvelles briques de conception pour les systèmes infrarouges refroidis. J'ai montré qu'une première étape de miniaturisation peut être apportée en intégrant les systèmes optiques directement à l'intérieur du cryostat (intégration dewar-level). Les contraintes cryogéniques imposent cependant une simplification et une miniaturisation plus poussée de manière à réduire au maximum la charge supplémentaire à refroidir. Je me suis orienté, dans un premier temps, vers une approche minimaliste qui a consisté à rendre imageant le cryostat sans intégrer la moindre optique supplémentaire. J'ai ainsi réalisé une camera obscura infrarouge en donnant un effet sténopé au diaphragme froid. Ce concept a été amélioré en codant sur ce diaphragme un réseau circulaire qui associe la propriété de grande profondeur de champ du sténopé avec une bonne résolution angulaire. Les deux solutions proposées, bien que remarquables par leur simplicité, souffrent néanmoins d'un faible bilan radiométrique. Celui-ci peut être amélioré en intégrant une architecture de type ménisque de Wollaston, qui a fait l'objet d'une demande de brevet. J'ai alors montré qu'une seule optique refroidie permet d'atteindre simplement une très bonne qualité optique. Enfin, une réflexion a été menée pour miniaturiser cette architecture. Elle s'appuie sur des systèmes multivoies s'inspirant de l'œil à facettes apposées des invertébrés et de la vision du Xenos Peckii. Cette réflexion permettra de franchir une étape d'intégration supplémentaire en proposant d'aménager directement au niveau du détecteur (intégration wafer-level) des architectures optiques.

Nous présentons une étude par Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) de l'azurite, Cu3(CO3)2(OH)2, un système de spins quantiques. Ce composé peut être modélisé comme une chaine quasi-unidimensionnelle, frustrée, 'de type diamant', de spins électroniques S=1/2 portés par les ions de cuivre Cu2+. Il présente dans sa courbe de l'aimantation en fonction du champ magnétique, entre 11 et 30 T et à très basse température, un plateau à 1/3 de l'aimantation à saturation. Nous avons effectué des mesures RMN du cuivre dans l'azurite à T=1.5 K afin de déterminer sa structure magnétique microscopique. Les résultats obtenus dans le plateau démontrent que le 'dimère' des deux spins qui sont plus fortement couplés est approximativement dans l'état singulet, tandis que le troisième spin (le 'monomère') est presque complètement polarisé. Cela confirme que la configuration électronique du plateau à 1/3 est un nouvel état quantique qui n'a pas d'équivalent classique [F. Aimo et al., Phys. Rev. Lett. 102 127205, (2009)]. Par RMN du proton à très haut champ magnétique, entre 31 et 34 T à T=0.6 K, nous avons aussi étudié le passage depuis le plateau à 1/3 vers la polarisation complète du système, afin de confirmer ou infirmer l'existence éventuelle d'un plateau à 2/3. Ce plateau est attendu dans le cas exceptionnel où les corrélations longitudinales de spins sont dominantes et stabilisent un ordre incommensurable longitudinal. L'analyse détaillée du dédoublement très symétrique des spectres RMN nous amène à conclure que c'est un ordre antiferromagnétique transverse et non longitudinal qui est établi, ce qui est incompatible avec l'existence du plateau à 2/3.

Les circuits deviennent de plus en plus intégrés pour augmenter les performances des dispositifs microélectroniques. La formation de jonctions ultra courtes (USJs) est un challenge majeur pour la réalisation de la prochaine génération de transistors à effet de champ (MOSFET) ayant une longueur de grill inférieure à 25 nm. L'implantation ionique est la technique la plus utilisée pour fabriquer des jonctions dans du Si, mais elle génère des défauts étendus, des interstitiels (Is) et des lacunes (Vs), qui introduisent des effets néfastes dans les composants, comme l'effet d'un transitoire de diffusion accélérée (TED) du bore et la formation d'agrégats de bore et d'Is (BICs). Une ingénierie de défauts par triple implantation (He, Si et B) a été utilisée pour maîtriser ces effets. Le rôle de chaque implantation d'He et de Si sur la diffusion du B est présenté dans ce mémoire. Les échantillons ont été caractérisés par SIMS, TEM, effet Hall, PAS, NRA etc. Pour fabriquer des USJs, le meilleur procédé est dans un premier temps l'introduire des cavités par implantation d'He pour créer une barrière de diffusion aux Is. Puis une implantation Si est réalisée à une énergie telle que la couche de cavités soit située entre les couches de Vs et d'Is qui sont introduites par cette même implantation. Enfin les atomes de B sont introduits à une faible énergie par implantation ionique ou par immersion plasma (PIII) pour créer les USJs. Au cours du recuit rapide d'activation (RTA), les Vs introduites par implantation Si peuvent se recombiner avec les Is introduites par implantation du B pour augmenter l'activation du dopant et limiter la diffusion du B. Une jonction ayant une épaisseur Xj de (12 ± 1) nm et une Rs de (150 ± 10) O/? a été réalisée.

Cette thèse présente la réalisation d'un dispositif expérimental pour la détection d'atomes, sur une puce atomique, avec une micro-cavité optique. La puce atomique est un substrat sur lequel des fils et la cavité optique sont fabriqué par des techniques de lithographie. La puce permet de piéger, de manipuler et de transporter des atomes grâce aux potentiels magnétiques générés par les courants électriques qui traversent ces fils. La puce permettra à terme de transporter les atomes vers la microcavité optique où ils peuvent être en interaction forte avec la lumière de la cavité. Le résonateur est construit à partir d'un guide d'onde sur lequel des miroirs sont déposés aux extrémités. Une tranchée est creusée dans le guide d'onde pour que les atomes puissent interagir avec le champ électromagnétique. Ce manuscrit présente la fabrication et la caractérisation d'une telle cavité. Une étude théorique du résonateur a permis d'estimer la finesse et la figure de mérite du système atome-cavité. Les calculs montrent que la microcavité peut permettre dans certains cas de détecter des atomes uniques.

Nous avons étudié des circuits supraconducteurs bi-dimensionnels en mesurant la température critique, le courant critique et l'aimantation en fonction du champ magnétique. Ces mesures peuvent être reliées aux propriétés du spectre d'énergie d'une particule quantique chargée confinée dans la structure bidimensionnelle considérée.<br />Les circuits submicroniques ont été réalisés par lithographie électronique utilisant un procédé bicouche PMMA/MAA. L'optimisation de ce procédé a permis d'obtenir des lignes de 100nm de large.<br />Nous avons étudié pour la première fois un disque supraconducteur en mesurant sa température critique, son aimantation ainsi que la dérivée de son aimantation avec la température. Ces résultats sont parfaitement expliqués par un modèle théorique considérant une particule quantique chargée confinée dans un disque et soumise à un champ magnétique.<br />Nous avons aussi mesuré le courant critique d'un réseau carré de fils supraconducteurs. Ce dernier a été interprété comme étant le courant de « dépairage ». Ces propriétés s'expliquent très précisément par un modèle théorique utilisant le spectre d'énergie d'une particule dans un réseau carré. <br />Deux régimes de dissipation apparaissent au delà du courant critique. A champ magnétique nul, des sauts de tensions comparables à des « phase slip centre » dans un fil unique sont observés. Sous champ magnétique, un régime comparable au « flux flow » apparaît dans le réseau dont la viscosité mesurée a pu être expliquée par un modèle théorique simple.

Le développement de nouveaux composés intermétalliques du système Mg2Si1-xSnx a fait l'objet de recherches intensives en particulier sur leurs propriétés thermoélectriques intéressantes. Les matériaux à base de magnésium sont de bons candidats pour des applications thermoélectriques à des températures moyennes comprises entre 500 et 800 K. Nous nous sommes intéressés dans notre étude à une classe particulière de phases intermétalliques; les phases de Laves caractérisées par des propriétés physiques remarquables en particulier en matière de conductivité électrique intéressante. Des travaux de recherche ont été effectués sur le composé Mg2Si notamment connus pour ses applications thermoélectriques à température moyenne et ont révélé que le dopage de ce composé avec les éléments Sb, Ge et Sn améliore de façon significative les propriétés thermoélectriques de ce matériau. Notre travail consiste à l'élaboration de nouveaux matériaux thermoélectriques en massifs et en couches minces type Mg2Si1-xSnx et d'optimiser leurs propriétés thermoélectriques. L'étude structurale de Mg2Si0,4Sn0,6, Mg2Si et Mg2Sn en fonction de la température ainsi que les affinements des paramètres de maille par la méthode Rietveld sont exposés dans ce travail.

La réduction des dimensionnalités de systèmes physiques implique des modifications substantielles des propriétés thermiques. Avec l'engouement pour les nanosciences et en particulier pour la nanophysique, les physiciens et chimistes ont cherché à savoir si la matière possédait les mêmes propriétés à petite échelle que dans les échantillons massifs. Depuis vingt ans de belles illustrations expérimentales de variations de propriétés électriques (magnétiques) ont été obtenues en physique mésoscopique, en matériau ou en magnétisme. En revanche les propriétés thermiques et thermodynamiques restent relativement mal comprises et ce pour plusieurs raisons: il est très difficile de contrôler les flux de chaleur à très petite échelle, les énergies mises en jeu pour des systèmes peu massiques sont très faibles et donc délicates à mesurer, et enfin la manipulation et la fragilité de ces petits systèmes transforme leur mesure en un défi expérimental. C'est ce que nous cherchons à faire dans ce travail.

La partie I décrit une série d'expériences en information quantique avec des ions piégés. Ces résultats ont été obtenus au NIST, Boulder, Colorado (USA). La partie II présente des expériences sur des boites quantiques insérées dans des microcavités. Ces expériences ont eu lieu à l'Institut Néel - Université Joseph Fourier Grenoble I.

Les Liquides Ioniques [LI] à température ambiante forment une nouvelle classe de matériaux, prometteurs dans des applications diverses. Les avantages que les LI soulèvent par rapport aux autres liquides moléculaires ou sels fondus résident dans la facilité à changer leurs propriétés intrinsèques en jouant sur la nature chimique de la combinaison [cation-anion]. Cependant, on n'est pas encore près à prédire les propriétés d'un LI en connaissant uniquement sa composition chimique. Par conséquent, nous avons fait des expériences de diffraction de rayons-x et de neutrons, complétées par une série de simulations de dynamiques moléculaires sur une famille de LI à bases de cations d'alkyl-methylimidazolium et d'anion Bromure. Ainsi, en changeant la longueur de la chaine alkyl, nous avons comparé la structure et la dynamique de trois LI de chaines ethyl, butyl et hexyl. La comparaison des résultats structuraux obtenus par la simulation avec ceux des rayons-x donnèrent complète satisfaction. Des résultats intéressants ont été obtenus, spécialement ceux issus de la comparaison de la structure et la dynamique du LI 1-ethyl-3-methylimidazolium Bromide en phase cristalline et liquide. Par ailleurs, l'hétérogénéité en phase volumique a pu être quantifiée ce qui a permis de déterminer que la ségrégation augmente avec la longueur de la chaine alkyl cationique.