Cette thèse met à profit l'émergence des nouvelles sources de lumière de 4ème génération, les lasers à électrons libres, pour créer et caractériser un état de matière sous conditions extrêmes encore mal connu : la matière dense et tiède (WDM). Une expérience a permis d'étudier les transitions entre les différentes phases solide/WDM/plasma et de caractériser le mécanisme responsable de la thermalisation. L'impulsion laser XUV FLASH, de durée et d'énergie égales à environ 20 femtosecondes et 30 µJ respectivement, est micro-focalisée sur une cible solide et entraîne un chauffage isochore. L'intensité, supérieure à 10^16 W/cm^2, n'a encore jamais été atteinte dans un tel contexte expérimental. Les spectres d'émission d'un plasma d'aluminium sont étudiés pour la première fois à l'aide d'un code couplant un algorithme génétique et un code de physique atomique, afin de remonter à l'évolution temporelle complète de l'interaction entre le laser XUV et la matière solide, et ce malgré l'intégration temporelle des spectres expérimentaux. La première preuve expérimentale de l'importance de l'effet Auger est établie pour le chauffage isochorique d'une cible d'aluminium. La première observation de l'émission X d'une cible de nitrure de bore irradiée sous conditions extrêmes a donné lieu à une étude préliminaire du phénomène. En parallèle, l'effet des électrons supra-thermiques sur la distribution des populations électroniques dans les niveaux d'énergie des ions est analysé et montre une importante similitude avec le processus de photo-ionisation à l'oeuvre dans l'interaction laser XUV-matière.

Cette thèse est consacrée à l'étude sélective des processus de relaxation électronique dans des métaux nobles massifs (films) et confinés (nanoparticules dans différentes matrices) par des techniques pompe/sonde femtoseconde basées sur un oscillateur titane-saphir. Celui-ci, fabriqué au laboratoire, délivre des impulsions de 20 fs environ et est accordable entre 820 et 1080 nm.<br /> La dynamique de thermalisation interne du gaz d'électrons a été suivie en utilisant une sonde au seuil des transitions interbandes ; elle se déroule en 350 fs environ pour l'argent massif (500 fs pour l'or). Ce temps est fortement réduit pour des particules de rayon inférieur à 5 nm, ce qui s'explique par l'augmentation des interactions entre électrons due à la réduction de l'écrantage coulombien au voisinage des surfaces. Des simulations numériques de l'évolution de la distribution électronique ont été réalisées par résolution de l'équation de Boltzmann et comparées aux expériences.<br /> L'utilisation d'une sonde hors résonance nous a permis d'étudier indépendamment la dynamique de thermalisation externe (interactions électrons-phonons) dont le temps caractéristique est de 850 fs dans l'argent massif (1 ps pour l'or). A nouveau, une forte réduction de cette valeur est observée pour les faibles rayons. Cet effet est indépendant de l'environnement ou de la technique de croissance des particules, ainsi que de la perturbation appliquée, si celle-ci reste dans le domaine des faibles perturbations.<br /> Sur des temps longs (10 ps environ), nous avons observé une modulation de la transmission au voisinage de la résonance plasmon de surface, due à l'excitation en phase dans toutes les particules illuminées, du mode radial fondamental de vibration. Ces techniques résolues en temps nous ont permis de déterminer précisément l'amortissement de ces oscillations et sa dépendance en fonction de l'environnement et de la qualité du couplage mécanique particule/matrice qui a été modifié par des techniques hautes pressions.

Cette thèse s'inscrit dans le contexte des premières années d'exploitation du Large Hadron Collider (LHC). Cet appareil monumental a été construit dans le but d'explorer la physique de l'infiniment petit à l'échelle du TeV. Un des objectifs majeurs du LHC est la recherche du boson de Higgs. Sa découverte validerait le mécanisme de brisure de symétrie électrofaible, au travers duquel les bosons W et Z acquièrent leur masse. L'expérience Compact Muon Solenoid (CMS) analyse les collisions de protons du LHC. Leur fréquence élevée (20 MHz) permet d'observer des phénomènes rares, comme la production et la désintégration d'un boson de Higgs, mais elle nécessite alors une sélection rapide des collisions intéressantes, par un système de déclenchement. Les ressources informatiques disponibles pour le stockage et l'analyse des données imposent une limite au taux de déclenchement : la bande passante, répartie entre les différents signaux physiques, doit donc être optimisée. Dans un premier temps, j'ai étudié le déclenchement sur les électrons : ils constituent une signature claire dans l'environnement hadronique intense du LHC et permettent à la fois des mesures de haute précision et la recherche de signaux rares. Ils font partie des états finaux étudiés par un grand nombre d'analyses (Higgs, électrofaible, etc.). Dès les premières collisions en 2010, la présence de signaux anormaux dans l'électronique de lecture du calorimètre électromagnétique (ECAL) constituait une source d'augmentation incontrôlée du taux de déclenchement. En effet, leur taux de production augmentait avec l'énergie et l'intensité des collisions : ils étaient susceptibles de saturer la bande passante dès 2011, affectant gravement les performances de physique de CMS. J'ai optimisé l'algorithme d'élimination de ces signaux en conservant une excellente efficacité de déclenchement sur les électrons, pour les prises de données en 2011. D'autre part, l'intensité croissante des collisions au LHC fait perdre leur transparence aux cristaux du ECAL, induisant une inefficacité de déclenchement. La mise en place de corrections hebdomadaires de l'étalonnage du système de déclenchement a permis de compenser cette inefficacité. Dans un second temps, j'ai participé à la recherche du boson de Higgs dans son mode de désintégration en deux leptons tau. Cette analyse est la seule qui puisse actuellement vérifier le couplage du boson de Higgs aux leptons. Le lepton tau se désintégrant soit en lepton plus léger (électron ou muon), soit en hadrons, six états finaux sont possibles. Je me suis concentré sur les états finaux semi-leptoniques (électron/muon et hadrons), où la signification statistique du signal est maximale. Les algorithmes de déclenchement dédiés à cette analyse sélectionnent un lepton (électron ou muon) et un " tau hadronique " d'impulsions transverses élevées. Cependant, cette sélection élimine la moitié du signal, ce qui a motivé la mise en place d'algorithmes sélectionnant des leptons de basse impulsion, incluant une coupure sur l'énergie transverse manquante. Celle-ci limite le taux de déclenchement et sélectionne des évènements contenant des neutrinos, caractéristiques des désintégrations du lepton tau. Les distributions de masse invariante des processus de bruit de fond et de signal permettent de quantifier la compatibilité entre les données et la présence ou l'absence du signal. La combinaison de l'ensemble des états finaux conduit à l'observation d'un excès d'évènements sur un large intervalle de masse. Sa signification statistique vaut 3,2 déviations standard à 125 GeV ; la masse du boson mesurée dans ce canal vaut 122 ± 7 GeV. Cette mesure constitue la toute première évidence d'un couplage entre le boson de Higgs et le lepton tau.

La miniaturisation des composants, qui s'est engagée depuis l'avènement de l'électronique il y a plus de 50 ans, atteint aujourd'hui la dimension nanométrique, ouvrant la porte aux phénomènes quantiques. Ultime étape de cette miniaturisation, la boîte quantique, dans laquelle les électrons sont confinés dans les trois directions de l'espace, présente des propriétés remarquables, telles que l'augmentation du gap entre la bande de conduction et la bande de valence, ou la discrétisation des niveaux d'énergies. Autre conséquence du confinement, la forte interaction électron-électron régnant au sein de la boîte conduit à une énergie de charge importante, susceptible de bloquer l'entrée d'un électron dans la boîte sans apport d'énergie extérieur. Ce phénomène de blocage des charges est appelé blocage de Coulomb. Le transistor à un électron (SET), dispositif élémentaire tirant profit de ce phénomène, est pressenti pour quelques applications, comme la réalisation de fonctions logiques ou la détection de charge. Parmi les domaines concernés, la thermoélectricité, c'est-à-dire la possibilité de créer du courant électrique à partir d'une différence de température, s'intéresse de près aux dispositifs à un électron en raison de leurs niveaux d'énergie discrets qui conduisent à une très faible conductivité thermique. Ce travail présente le simulateur SENS (Single-Electron Nanodevice Simulation) développé dans l'équipe, et dont j'ai réalisé la partie destinée à la simulation du SET. Il s'appuie sur la résolution des équations couplées de Poisson et Schrödinger, nécessaire à la détermination des fonctions d'onde dans la boîte de silicium, elles-mêmes dépendantes des tensions appliquées aux électrodes. Les fréquences de transition tunnel sont ensuite calculées par la règle d'or de Fermi. L'étude approfondie du courant dans les SET permet d'extraire des diagrammes de stabilité en diamant, et démontre l'importance de paramètres tels que la taille de l'îlot, la dimension des barrières tunnel, la température et le nombre d'électrons occupant la boîte. L'étude du courant électronique et du courant de chaleur en présence d'une différence de température aux électrodes du SET est également faite pour juger de la pertinence de l'utilisation d'un SET en tant que générateur thermoélectrique, mais aussi comme étalon pour déterminer le coefficient Seebeck. Enfin, une étude du bruit de grenaille dans la double-jonction tunnel (SET sans la grille) est faite, démontrant le fort lien entre taux de transfert tunnel et bruit. En particulier, selon l'évolution des taux des transferts tunnel d'entrée et de sortie de l'îlot, pour un nombre d'électrons supérieur 2, il est possible d'observer une augmentation importante du bruit, qui devient alors super-Poissonien. L'étude de l'influence des paramètres géométriques démontre que le bruit de grenaille dépend essentiellement de la différence des épaisseurs de barrière tunnel.

Le LHC a fourni des collisions proton-proton avec une énergie dans le référentiel du centre de masse égale à 7 TeV correspondant à une luminosité intégrée de 40 pb-1 en 2010 et de 5 fb-1 en 2011. Les données collectées par ATLAS ont permis de valider la compréhension du détecteur, d'évaluer ses performances et de réaliser de nombreuses mesures de paramètres physiques. Dans ce contexte le quark top est un champ d'étude privilégié pour la physique à l'échelle du TeV et pour les études de performance. Après un rappel de la phénoménologie du modèle standard la première partie de cette thèse est consacrée à la description du détecteur et en particulier des calorimètres à argon liquide pour lesquels l'influence des variations de haute tension est détaillée. La deuxième partie est consacrée aux études relatives à la reconstruction et à l'identification des électrons menées sur des données simulées, mais également sur les données de collisions collectées en 2010 à partir d'évènements J/psi->e+e- avec la méthode de tag-and-probe. La dernière partie est dédiée aux études sur le quark top. Les données simulées de signal et de bruit de fond utilisées pour les évènements ttbar sont décrites ainsi que les procédures de reconstruction et d'identification des objets présents dans l'état final. L'estimation de la contribution des évènements avec un lepton mal identifié par la méthode de la matrice est ensuite présentée avant la mesure de la section efficace de paires ttbar dans les canaux dileptoniques réalisée avec les données collectées en 2011: la valeur obtenue en combinant les trois canaux 178.8 +/-2.3 +8.9/-8.4(sys) +8.0/-7.4(lumi) pb est compatible avec les prédictions théoriques.

La découverte expérimentale du graphène (monocouche de graphite) en 2004 a provoqué un grand engouement dans la communauté scientifique. Cela a également renouvelé l'intérêt pour l'étude du graphite. Les propriétés de ces deux matériaux ont largement été étudiées par le biais de différentes techniques expérimentales (transport, optique...). Dans cette thèse nous démontrons que les mesures de transmission effectuées sous champ magnétiques très intenses (> 1 millions de fois le champ magnétique terrestre) sont un outil très puissant pour étudier la structure électronique du graphène et du graphite. Dans un premier temps, nous montrerons que l'asymétrie électron-trou dans le graphite est causée par le terme souvent négligé de l'énergie cinétique d'un électron libre. Ce terme, également présent dans l'Hamiltonien décrivant les propriétés électroniques du graphène, explique élégamment l'asymétrie électron trou qui y est observée. Deuxièmement, l'utilisation de nombreuses sources dans l'infrarouge et dans le visible (200meV à 2eV) nous a permis d'observer de grandes séries de transitions interbandes dans le graphite entre les quatre bandes (E3+, E3-, E1 et E2) jusqu'à 150 T et à température ambiante. La résonance au point K peut être parfaitement décrite avec le modèle du bicouche effectif et la résonance au point H correspond à celle d'une monocouche de graphène. Enfin, nous démontrerons que ces résonances peuvent être réduites à une simple mesure de la relation de dispersion décrite par la formule relativiste E2=m02v4 + p2v2, avec v la vitesse de Fermi et, où l'énergie d'une particule au repos m0v² est égale à 385 meV au point K et est nulle au point H.

L’énergie dans le centre de masse des collisions produites par le LHC a été portée en 2015 à 13 TeV, augmentant fortement les sections efficaces de production de particules hypothétiques lourdes et ouvrant ainsi la voie à la recherche de nouvelle physique. Les travaux effectués dans ce contexte ont porté sur la définition des critères d’identification des électrons et la recherche de Supersymétrie dans les données du détecteur ATLAS. La première partie est consacrée à l’optimisation et aux performances attendues de l’identification des électrons, utilisée pour le déclenchement et l’analyse des données en 2015. La méthodologie mise au point pour adapter les critères aux contraintes expérimentales est présentée. La seconde partie est dédiée à la recherche de particules supersymétriques produites par interaction forte dans les canaux avec deux leptons de même charge électrique (électrons ou muons), des jets et de l’énergie transverse manquante, à partir de l’ensemble des données collectées en 2015 (soit 3.2 fb à s = 13 TeV). Les principaux aspects de l’analyse sont décrits, avec une attention particulière à l’estimation du bruit de fond expérimental. L’absence d’excès par rapport aux prédictions du Modèle Standard est interprétée en terme de limites sur la masse des squarks, des gluinos et des neutralinos dans le cadre de modèles supersymétriques simplifiés. Cela a permis par exemple d’exclure l’existence de gluinos de masse inférieure à 1.1 TeV dans certains modèles avec un spectre de masse compressé, ce qui représente une amélioration d’environ 150 GeV par rapport aux limites antérieures. / The LHC collisions center of mass energy rose up to 13 TeV in 2015, strongly increasing the production cross sections of hypothetical heavy particles (for example by a factor 50 for pair production of gluinos with a 1.5 TeV mass) and thus, paving the way for new physics searches. An optimisation of the electron iidentification criteria and a search for Supersymmetry with the ATLAS detector data were performed in this context. The first part is dedicated to the definition and the expected performance of the electron identification used for the trigger and the analysis of the 2015 data. The methodology defined to adapt these criteria to the experimental constraints is detailed. The second part is dedicated to the search for strongly produced supersymmetric particles in events with two same sign leptons (electrons or muons), jets and missing transverse energy using the full 2015 dataset (3.2 fb at s = 13 TeV). The main aspects of the analysis are described, paying particular attention to the experimental background. As no significant excess over the Standard Model expectation is observed, the results are interpreted using several simplified models to set limits on the masses of the gluinos, the squarks and the neutralinos. For instance, gluino masses up to 1.1 TeV are excluded, which represents an improvement of about 150 GeV with respect to the previous limits for some models with compressed mass spectra.

Dispositifs photovoltaïques d'aujourd'hui convertissent l'énergie solaire en électricité de manière propre, renouvelable et inépuisable et représentent un remplacement possible pour les combustibles fossiles. Toutefois, afin de rivaliser avec les sources d'énergie classiques une augmentation significative de l'efficacité de conversion est inévitable. Dans ce travail, nous nous concentrons sur des aspects pouvant propulser le rendement de conversion au-dessus des limites de cellules présentes. La première partie de l'étude est consacrée à de nouvelles idées théoriques considérés comme le photovoltaïque de 3ème génération, alors que le plus d'intérêt est maintenu à étudier les avantages possibles de la multiplication d'électrons faible seuil. Dans la deuxième partie de l'étude, nous développons un modèle qui permet un traitement précis des propriétés optiques et de transport des structures de silicium avec des interfaces enterrées. Les analyses théoriques et expérimentales approfondies des structures existantes MIND sont ensuite effectuées. En étudiant le flux exacte et la distribution d'énergie à l'intérieur de plusieurs structures dans le cadre de leur géométrie, nous estimons les rendements quantiques possibles et les comparer avec les résultats expérimentaux. Grâce aux moyens de simulations numériques couplées avec caractérisation expérimentale, nous extrayons l'efficacité de la collecte de porteur de cellules étudiées. De nouveaux effets sont observés, une telle augmentation possible de l'efficacité de la collecte au-dessus de l'unité. Une analyse plus approfondie des résultats expérimentaux couplés avec l'étude numérique suit quelques explications classiques et non classiques de l'augmentation de l'efficacité de la collecte ou l'augmentation résultante de l'efficacité quantique. Avec la plupart des explications classiques exclu, nous concluons que l'explication la plus probable, mais non définitive de cet effet peut être interprété comme le résultat d'une multiplication des porteurs faible seuil. / Photovoltaic devices of today convert solar energy into electricity in a clean, renewable and inexhaustible way and represent a possible replacement for the fossil fuels. However, in order to compete with classical energy sources a significant increase in the conversion efficiency is inevitable. In this work, we concentrate on the aspects able to raise the conversion efficiency above the limitations of present cells. The first part of the study is devoted to new theoretical ideas considered as 3rd generation photovoltaics, while the most interest is kept at studying the possible benefits of electron multiplication at low-energies. In the second part of the study, we develop a model that allows a precise treatment of optical and transport properties of silicon structures with buried interfaces. Extensive theoretical and experimental analyses of existing MIND structures are then conducted. By studying the exact flux and power distribution inside several structures in conjunction with their geometry, we estimate the possible quantum efficiencies and compare them with experimental results. Through the means of numerical simulations coupled with experimental characterization, we extract the carrier collection efficiency of studied cells. New effects are being observed, such a possible increase in collection efficiency above unity. A deeper analysis of the experimental results coupled with the numerical study analyzes several classical and non-classical explanations of the increase in collection efficiency or the resulting increase in the quantum efficiency. With most of the classical explanations ruled out, we conclude that the most probable, but not definitiveexplanation of this effect can be interpreted as the result of a low-energy carrier multiplication.

Les travaux présentés au sein de cette thèse s'inscrivent dans le cadre de la mesure de la masse du quark top dans le canal de désintégration électron-muon. Cette mesure expérimentale est réalisée à l'aide de la méthode des éléments de matrice et à partir des événements produits par le LHC à une énergie dans le centre de masse de 8 TeV et enregistrés par le détecteur ATLAS en 2012. Après une introduction du contexte phénoménologique associé au modèle standard et à la physique du quark top, une description du détecteur ATLAS, de la simulation et de la reconstruction des événements de collisions est donnée. La première analyse présentée a été réalisée en début de thèse et estime l'impact qu'a l'installation d'une nouvelle couche de pixels dans le détecteur ATLAS, au plus proche du point de collision, sur les performances d'étiquetages des jets de b lors de prises de données à une énergie dans le centre de masse de 13 TeV enregistrées à partir de 2015. La seconde partie est consacrée à la mesure de la masse du quark top. Après avoir décrit la sélection à laquelle cette analyse est liée, l'étalonnage de la méthode des éléments de matrice est présenté. La masse du quark top mesurée est :m_top = 172,40 ± 0,35 (stat.) ± 1,12 (syst.) GeV.Cette mesure est obtenue avec une précision de 0,64% et est compatible à la fois avec la combinaison mondiale de la masse du quark top et avec les mesures récentes publiées par la collaboration ATLAS. / The work presented in this thesis lies within the scope of the measurement of the top quark mass in the decay channel electron-muon. This experimental measurement is achieved by the use of the matrix element method with events produced at LHC at a centre of mass energy of 8 TeV and collected by the ATLAS detector in 2012. After introducing the theoretical context of the Standard Model and the physics of the top quark, a detailed description of the ATLAS detector design and of both the event simulation and reconstruction is given. The first analysis presented was done during the beginning of the thesis and focuses on the impact of the insertion of an innermost new pixel layer in the ATLAS detector on the b-tagging performance during the data taking starting in 2015 with an centre of mass energy of 13 TeV. The second part of the thesis is dedicated the top quark mass measurement. After reviewing the selection procedure to which the analysis is linked, the calibration of the matrix element method is presented. The top quark mass is measured as :m_top = 172,40 ± 0,35 (stat.) ± 1,12 (syst.) GeV.This measurement is obtained with a precision of 0.64% and is compatible with both the World combination of the top quark mass and with recent measurements published by the ATLAS collaboration.

Des dendrimères à cœur aromatique ayant des propriétés originales en électronique moléculaire ont été synthétisés pour des applications en tant que batteries moléculaires avec des systèmes redox robustes et pour la thérapie anti-cancer par capture de neutrons. Le premier thème a été focalisé sur les dendrimères à terminaison métallocénique ou bimétallocénique avec la recherche des propriétés électroniques y compris la stabilisation de valence mixte avec application pour la synthèse de nanoparticules métalliques contrôlée par le potentiel redox. Le second thème a impliqué la synthèse de dendrimères ayant des terminaisons carborane en collaboration avec le groupe du Prof. N. Hosmane de Chicago. Pour les deux thèmes, les assemblages ont été réalisés par réaction “click“ de type Huisguen entre des azotures terminaux des dendrimères et les alcynes terminaux. Les dendrimères ont été caractérisés à la fois à l'aide de techniques spectroscopiques et analytiques traditionnelles et à l'aide de techniques propres aux macromolécules (chromatographie d'exclusion stérique, RMN DOESY, diffusion de lumière dynamique). Le concept de base commun aux deux thèmes consiste à utiliser la topologie dendritique de grands dendrimères pour concentrer dans un nano-espace minimum une quantité élevée d'électrons pour les batteries moléculaires ou d'atomes de bore dont la densité est essentielle pour l'efficacité de la thérapie anti-cancer par capture de neutrons. / Dendrimers with aromatic core with original properties in molecular electronics have been synthesized for applications as molecular batteries with robust redox systems and the anti-cancer therapy by neutron capture. The first theme was focused on metallocene-terminated or bimetallocenyl dendrimers with the research of electronic properties including the stabilization of mixed valence with application for the synthesis of metal nanoparticles controlled by the redox potential. The second theme concerned the synthesis of dendrimers with carborane termini in collaboration with the Chicago group of Prof. N. Hosman. For both subjects, the connections have been made by "click" reaction of type Huisguen between alkynes and dendrimer terminals azides. The dendrimers were characterized at a time using traditional analytical and spectroscopic techniques and using own techniques to macromolecules (size exclusion chromatography, DOESY NMR, dynamic light scattering). The basic concept common to both themes is the use of dendritic topology of large dendrimers to concentrate in a nano-space at least a high amount of electrons to molecular batteries or boron atoms whose density is essential for efficiency of the anti-cancer therapy by neutron capture.