La génération à la demande d'excitations quantiques dans un état contrôlé permet la construction de systèmes quantiques de plus en plus complexe. Cependant, la réponse collective de la mer de Fermi à une perturbation comprend généralement à la fois des électrons et des trous, ce qui rend la manipulation d'un nombre limité de degrés de liberté difficile. Une méthode permettant de générer une excitation élémentaire résolue en temps dans un conducteur cohérent unidimensionnel a été proposée : l'application de pulses de tension de forme lorentzienne. Un pulse Vp(t) de forme quelconque injecte un nombre fini de paires électron-trou. La seule possibilité de supprimer les trous et de laisser la mer de Fermi intacte est d'appliquer des pulses lorentziens dont le flux est quantifié. Les paquets d'onde transférés sont des quasi-particules et appelés Levitons. Ils ont des propriétés statistiques remarquables : ils minimisent le bruit de grenaille. Dans cette thèse, on étudie la génération de ces objets et on démontre que des pulses lorentziens constituent une source d'électrons à la demande. Des pulses GHz sont appliqués sur un contact ponctuel quantique (QPC) semi-réfléchissant et refroidi au-dessous de 50mK. Le bruit de grenaille photo-assisté (PASN) généré est proportionnel au nombre total d'électrons et de trous, ce qui permet de tester la source. Le PASN permet également de déterminer la distribution en énergie et le profil temporel des paquets d'onde. / The on-demand generation of well-controlled quantum excitations leads to the operation of increasingly complex quantum systems. However, the collective response of the Fermi sea to a perturbation typically includes holes and electrons and the control of a few degrees of liberty is difficult to achieve. A means of generating a time-resolved elementary excitation through short-time voltage pulses Vp(t) applied on the contacts of a one-dimensional coherent conductor has been predicted. For most voltage pulses, a finite number of neutral electron-hole pairs are injected. The only possibility to suppress hole-generation, which means that the Fermi sea appears unmodified, is through lorentzian-shaped voltage pulses with quantized flux. The transferred quantum states, termed levitons, have strikingly simple statistical properties: they minimize the shot noise when impinging a static potential barrier. In this thesis, we study the generation of this states and show that lorentzian pulses implement an on-demand electron source. GHz pulses are applied on a partially-transmitting quantum point contact (QPC) below 50mK and realized from a two-dimensional electron gas in a GaAs/AlGaAs heterostructure. The resulting Photo-Assisted Shot Noise (PASN) is proportional to the number of electrons and holes, thus testing the source properties. Additional characterizations performed with the PASN include the energy distribution of the excitations and their time-domain extension.

Le travail de recherche présenté dans le cadre de cette thèse, réalisée en cotutelle entre l'École Supérieure Polytechnique de Dakar (ESP) et l'École Centrale de Lyon (ECL), intitulé « Le recyclage de métaux d'origine industrielle au Sénégal » traite du problème du recyclage industriel des aciers et de celui, artisanal, des alliages d'aluminium. La question est abordée depuis la collecte des déchets jusqu'aux produits issus de leur valorisation : armatures pour béton armé et ustensiles de cuisine. Nous nous intéressons plus particulièrement à la qualité de ces produits. Il s'agit plus précisément des propriétés mécaniques des armatures en acier, qui se rompent parfois lors de leur mise en œuvre par pliage, et de la qualité alimentaire des alliages d'aluminium utilisés dans la fabrication d'ustensiles de cuisine et élaborés à partir de déchets provenant souvent de rebuts du secteur automobile. A l'issue de notre travail expérimental, nous avons déterminé une origine possible des défaillances des armatures à béton et avons montré, par des tests en milieu alimentaire, que les alliages d'aluminium utilisés ne présentent pas de dangers pour les usagers. Cette étude s'inscrit dans une problématique environnementale à laquelle se trouvent confrontés de plus en plus de pays, compte tenu de l'accroissement de la consommation des ménages et de la raréfaction des ressources en matière première et en énergie. Dans ce contexte, nous avons ajouté une dimension humaine et sociétale à ce travail scientifique en le prolongeant par une action de formation auprès des jeunes populations. Cette action s'inscrit par ailleurs dans un projet plus large de la Direction de l'Enseignement Elémentaire du Sénégal, de rénovation de l'enseignement des sciences à l'école élémentaire. Un module pédagogique, destiné au cycle 3, a été créé autour de la thématique des déchets et de leur devenir, en tenant compte des spécificités de l'école sénégalaise et en relation avec la partie scientifique développée dans la thèse. Il s'appuie sur une méthode d'enseignement innovante, l'investigation raisonnée, grâce à laquelle l'élève se trouve placé en tant qu'acteur de sa propre formation. L'originalité de cette recherche est donc qu'elle intègre l'ensemble des préoccupations, allant du traitement du déchet à l'éducation des populations, tout en restant centrée sur une problématique scientifique. Elle est une première concrétisation de l'accompagnement de l'école élémentaire par la communauté scientifique au Sénégal.

Notion de volume élémentaire représentatif pour les matériaux hétérogènes : approche statistique et numérique.

L'obsidienne a été utilisée comme matière première de l'industrie lithique au cours de périodes préhistoriques. Ce matériau possède des propriétés spécifiques qui caractérisent son lieu d'origine. La rareté de ses sources et l'intérêt dont l'obsidienne a fait l' objet par le passé en font pour le préhistorien un marqueur remarquable d'échanges et de contacts humains à grande distance. Nous montrons les avantages relatifs, pour la détermination de la composition chimique, de l'analyse sous faisceau d'ions par PlXE -Particle InducedX-ray Emission-, qui permet des mesures non destructives, et par plasma couplé par induction : ICP-AES -Inductively Coupled Plasma-Atomic Emission Spectrometry- et ICP-MS -Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry-, qui nécessitent des prélèvements réduits mais donnent accès à un large spectre d'éléments. En Amérique andine (Colombie, Equateur) où les données sur la circulation de l'obsidienne étaient encore très limitées, nous avons apporté des données nouvelles sur les sources et commencé l' exploitation (PlXE, ICP) de plusieurs collections de pièces archéologiques préhispaniques. Les mesures par ICP ont permis une caractérisation plus complète des sources de la région. Nos résultats constituent la base de données la plus détaillée disponible à ce jour. Au Proche-Orient (Syrie, Turquie), nous avons apporté des informations sur cinq sites néolithiques de la moyenne vallée de l'Euphrate (10400-4500 ans av. J.-C). Nos résultats ICP confirment la prééminence de la Cappadoce comme source d'obsidienne au cours de cette période et l'émergence d'apports d'Anatolie orientale. Ils montrent aussi la difficulté de discriminer entre elles, par leurs compositions, plusieurs sources anatoliennes. En raison des difficultés de distinction entre sources, nous avons proposé l'utilisation d'une double caractérisation -composition chimique/datation par traces de fission- pour l'ensemble ColombielEquateur, et dans certains cas au Proche-Orient.

Les spéléothèmes (concrétions carbonatées se formant dans les zones karstiques) sont des archives paleo-climatiques reconnues, dont l'intérêt majeur est de pouvoir être datées précisément par la méthode Uranium-Thorium. En revanche, les traceurs traditionnellement utilisés pour reconstruire les climats passés à partir de ces objets géologiques ne sont pas directement quantifiables en termes de paramètres climatiques comme la température moyenne, ou la quantité de précipitation. Les variations des concentrations en éléments traces contenus dans les spéléothèmes ont pu être relié dans certains sites aux changements climatiques passés, mais des doutes existent sur la robustesse de leur signal au sein d'une même grotte et entre différents sites.Nous nous sommes appliqués à déterminer les variations au cours des 50 000 dernières années de plusieurs catégories d'éléments (alcalino-terreux, uranium, et terres rares) dans des stalagmites de deux grottes situées dans le sud de la France (les grottes de Villars en Dordogne et de Chauvet en Ardèche), par spectrométrie ICP-MS. Les spéléothèmes sélectionnés ont déjà été datés et ont enregistré les variations paleo-environnementales à travers les isotopes stables de la calcite. Trois périodes d'étude caractérisées par des changements particuliers sont étudiées: le stade isotopique 3 de la dernière période glaciaire (~50-30 ka), la dernière déglaciation (~20-10 ka) et la fin de l'Holocène (~2-0 ka).Le signal des variations des alcalino-terreux à Villars pendant le stade isotopique 3 est significatif et robuste. La variabilité du strontium notamment, qui provient de processus hydrologiques intra-karst, suit les événements climatiques rapides enregistrés dans l'hémisphère Nord. D'autre part, le comportement de nombreux éléments traces pendant la déglaciation est similaire entre les grottes de Villars et de Chauvet. Enfin, des changements du couvert végétal sont probablement à l'origine des changements synchrones enregistrés par les éléments traces et les isotopes stables de la calcite au cours des deux derniers millénaires à Villars.Par ailleurs, l'étude des coefficients de partition des alcalino-terreux, de l'uranium et des terres rares dans des conditions variées montre l'importante de la variabilité inter-site de leur partitionnement.

Cette note de synthèse rédigée en vue de soutenir une habilitation à diriger des recherches (HDR) a comme but de proposer une relecture de l'ensemble de travaux de recherche que je conduis depuis une quinzaine d'année sur l'articulation entre la logique et le raisonnement mathématique à la lumière de la théorie élémentaire des modèles de Tarski, qui joue ici le rôle de référence épistémologique pour les analyses didactiques. Une première partie présente les aspects de la théorie des modèles que j'ai retenu pour les études didactiques, ainsi qu'un exemple de l'utilisation de ce cadre pour repenser les questions de vérité, de validité, de nécessité et de certitude. La suite du document développe les analyses suivant trois axes : un retour sur les connecteurs logiques au-delà des tables de vérité ; un questionnement de différentes pratiques ordinaires dans la classe de mathématiques concernant la gestion des questions de quantification ; l'interprétation des énoncés mathématiques sous les angles syntaxique, sémantique et pragmatique. Ceci permet de réinterpréter un certain nombre d'erreurs classiques de logique ; de réduire la distance supposée entre logique de sens commun et logique mathématique et de s'interroger sur certains choix d'enseignement eu égards en particulier aux objectifs d'apprentissage visés en terme de rigueur.<br />Les résultats obtenus dans ce cadre théorique général permettent d'envisager un programme de recherche suivant deux axes complémentaires. Le premier axe concerne le développement des travaux visant à élucider le rôle que joue le formalisme logique dans l'élaboration des connaissances mathématiques au niveau de l'enseignement universitaire en lien avec la mise en œuvre d'ingénieries didactiques. Le second axe concerne la poursuite des recherches amorcées sur le croisement entre analyses didactiques et analyses dynamiques du discours dans la classe de mathématiques en mobilisant les ressources offertes par la sémantique logique.

Ce travail s'inscrit principalement dans le domaine de synthèse d'observateurs pour des synthèses non linéaires. D'une part le développement d'une nouvelle méthodologie de synthèse est proposée et d'autre part des résultats supplémentaires pour les observateurs à horizon glissant sont donnés. La première partie est plus directement dédiée aux rappels des notions de base d'observabilité des systèmes linéaires et non linéaires, ainsi qu'à la description des principales techniques de synthèse d'observateurs. De cette étude, il a été possible d'énoncer les avantages et les inconvénients de chaque méthode. Dans une deuxième partie et grâce à l'étude des différentes techniques de synthèse, une nouvelle méthodologie de synthèse d'observateur pour des systèmes non linéaires a été développée. Cette méthodologie divise un systhème en [n] problèmes d'optimisation scalaires, dénommés problèmes élémentaires, qui peuvent être résolus en parallèle en utilisant un solveur numérique de l'équation de Hamilton-Jacobi sclaire que pour de systèmes de grand ordre peut être très interessant de l'appliquer. La dernière partie est concentrée sur les observateurs à horizon glissant plus classiques et de traiter le cas où les hypothèses de régularité uniforme globale ne sont pas supposées. la description technique correspondante est donné à travers des définitions du rayon de régularité et du rayon d'observabilité.

L'analyse des impacts environnementaux de la production de biens et de services est aujourd'hui devenue un enjeu majeur. L'analyse en cycle de vie est la méthode consacrée pour modéliser les impacts environnementaux des activités humaines. L'inventaire en cycle de vie, qui est l'une des étapes de cette méthode, consiste à décomposer les activités économiques en processus interdépendants. Chaque processus a des impacts environnementaux et la composition de ces processus nous donne l'impact cumulé des activités étudiées. Plusieurs entreprises et agences gouvernementales fournissent des bases de données d'inventaires en cycle de vie pour que les experts puissent réutiliser des processus déjà étudiés lors de l'analyse d'un nouveau système. L'audit et la compréhension de ces inventaires nécessite de s'intéresser à un très grand nombre de processus et à leurs relations d'interdépendance. Ces bases de données peuvent comporter plusieurs milliers de processus et des dizaines de milliers de relations de dépendance. Pour les experts qui utilisent les bases de données d'inventaire en cycle de vie, deux problèmes importants sont clairement identifiés : - organiser les processus pour avoir une meilleure compréhensibilité du modèle ; - calculer les impacts d'une modélisation (composition de processus) et, le cas échéant, détecter les raisons de la non convergence du calcul. Dans cette thèse, nous : - mettons en évidence de l'existence de similarités sémantiques entre les processus et leurs relations d'interdépendance et proposons une nouvelle approche pour modéliser les relations d'interdépendance entre les processus d'une base de données d'inventaire. Elle se base sur un étiquetage sémantique des processus à l'aide d'une ontologie et une modélisation multi-niveaux des relations d'interdépendance entre les processus. Nous étudions aussi deux approches déclaratives d'interaction avec ce modèle multi-niveau. - étudions les différentes méthodes de calcul des impacts basées sur des notions classiques d'algèbre linéaire et de théorie des graphes. Nous étudions aussi les conditions de non convergence de ces méthodes en présence de cycle dans le modèle des relations de dépendances. Un prototype implémentant cette approche a montré des résultats probants sur les cas étudiés. Nous avons réalisé une étude de cas de ce prototype sur les processus de production d'électricité aux États-Unis extraits de la base de données d'inventaire en cycle de vie de l'agence environnementale américaine. Ce prototype est à la base d'une application opérationnelle utilisée par l'entreprise.

L'utilisation de lasers est largement répandue dans le domaine de la microanalyse directe des solides. La matière vaporisée, en focalisant un faisceau laser de forte puissance sur la cible, peut être analysée soit par spectrométrie d'émission optique sur plasma induit (LIBS, acronyme anglais pour Laser Induced Breakdown Spectroscopy), soit par une source à plasma induit par haute fréquence couplée à la spectrométrie d'émission optique (ICP-AES) ou à la spectrométrie de masse (ICP-MS). Avec une résolution spatiale à l'échelle microscopique, les techniques d'ablation laser permettent ainsi d'accéder à la composition élémentaire locale de la surface d'un matériau. Néanmoins, les performances analytiques de ces techniques pourraient être améliorées par l'utilisation combinée des informations LIBS et ICP afin également de comprendre et maîtriser davantage l'interaction laser/matière. Dans ce but, ce travail a consisté à développer une technique de microanalyse par ablation laser couplée avec une détection en simultané par ICP et par LIBS afin d'étudier les potentialités analytiques de cet instrument pour cartographier la surface des matériaux. Les performances et les limitations de ce système ont été évaluées d'une part, en caractérisant les aérosols produits par ablation laser et d'autre part, en étudiant les signaux LIBS et ICP obtenus à partir d'un même prélèvement de matière. Le phénomène de fractionnement élémentaire rencontré sur des matrices critiques telles que le laiton a été mis en évidence en microablation malgré des caractéristiques de l'interaction laser/matière différente de la macroablation. Une méthode de correction, a posteriori, par l'efficacité d'extraction de la cellule d'ablation a été proposée afin de pallier ces effets limitatifs pour l'analyse quantitative. Une cellule d'ablation, optimisée à partir d'une étude de simulation numérique, a été développée afin de s'adapter aux applications de cartographies de surface. Les performances analytiques du système ont été évaluées en termes de stabilité (8-10%), de résolution spatiale (5 µm) et de limites de détection (de l'ordre de la ppm dans le solide avec un détecteur de masse). La complémentarité des mesures LIBS et ICP représente à la fois un outil de diagnostic de l'interaction laser/matière et un instrument d'analyse très complet grâce à la double détection qui permet de suivre simultanément des traces et des majeurs sur une large gamme d'éléments de la classification périodique

PIXE, Particle Induced X-ray Emission, est une méthode d'analyse multiélémentaire, rapide, non destructive, basée sur la détection des rayons X caractéristiques émis suite à l'interaction de particules chargées avec la matière. Cette méthode est usuellement utilisée avec des protons accélérés à une énergie de l'ordre de quelques MeV dans des domaines d'applications variés, atteignant une limite de détection de l'ordre de quelques μg/g (ppm). Cependant, la profondeur d'analyse est relativement limitée. Grâce au cyclotron ARRONAX, nous pouvons utiliser des protons ou des particules alpha jusqu'à une énergie de 70 MeV pour mettre en œuvre la technique PIXE à haute énergie. Avec de telles énergies, nous excitons préférentiellement les raies X K, plus énergétiques que les raies L utilisées dans la PIXE classique pour l'analyse des éléments lourds. L'analyse d'échantillons épais, en profondeur, est ainsi accessible. Pour l'analyse des éléments légers, nous pouvons utiliser la détection de rayons gamma émis pas les noyaux excités en combinant les méthodes PIGE et PIXE. Nous allons tout d'abord présenter les caractéristiques et les principes d'analyse de la méthode PIXE à haute énergie que nous avons développée à ARRONAX. Nous détaillerons ensuite les performances atteintes, notamment en termes de limite de détection dans différentes conditions expérimentales. Enfin, nous présenterons les résultats obtenus pour l'analyse d'échantillons multicouches et la quantification d'éléments traces dans des échantillons épais.