Cette thèse est consacrée à l'étude approfondie de formes exotiques de matériaux nano-structurés qui pourraient conduire à une avancée significative dans les nano-composants. Deux thèmes distincts ont été ainsi abordés. Le premier concerne les nano-clusters aromatiques de silicium synthétisés par plasma (SiNCs), tandis que le second est dédié aux structures silicium et germanium bi-dimensionnelles. Grâce à des simulations de type dynamique moléculaire et des calculs ab initio, ainsi que sur des recherches expérimentales, nous nous proposons d’explorer les propriétés intrigantes, mais à fort potentiel, de ces matériaux exotiques.Dans la première partie, nous commençons par des études théoriques et montrons qu'il est possible d'obtenir un comportement aromatique pour des SiNCs hydrogénés ayant une taille de ~1nm. Nous démontrons que les plasmas silane/hydrogène à basse température, proches de la formation de particules de poussière, présentent l'environnement idéal pour exploiter la tendance naturelle du silicium à la sur-coordination et donc pour la synthèse de structures à liaisons déficitaires en électrons. Ces nano-clusters qui se forment spontanément par auto-assemblage dans le plasma, ne possèdent pas de structure tétraédrique, sont plus stables que tous les autres SiNCs connus de cette taille et ont de fortes propriétés aromatiques dues à leur forte délocalisation électronique. Nous montrons également que les SiNCs non tétraédriques, présentent des modes de liaison à caractère métallique qui ressemblent fortement à celui d'un gaz d'électrons homogène dans des nano-clusters de métaux. Les SiNCs tétraédriques standards de cette taille ne peuvent absorber que dans l'ultraviolet, alors que nos calculs ont montré que des SiNCs purs, mais sur-coordonnés, absorbent dans la région spectrale ultraviolette, mais aussi dans le visible et l’infrarouge. Nous présentons ensuite une première preuve expérimentale pour nos prédictions théoriques. Nous avons mesuré in situ, dans un réacteur plasma l'absorption de la lumière visible des SiNCs. De plus, nos mesures réalisées en présence d'un champ électrique ont prouvées clairement que les SiNCs aromatiques possèdent un moment dipolaire permanent, que nous avons estimé entre 2 et 2,5 Debye, en excellent accord avec les calculs ab initio. Enfin, nos images de microscopie électronique à transmission des SiNCs, déposés dans des conditions de plasma optimisées, ont révélé la présence d'une autre forme exotique de silicium à structure hexagonale. Une telle structure se forme habituellement à des pressions extrêmement élevées appliquées sur des structures cubiques (diamant) de silicium. Nous souhaitons affirmer que c’est grâce à la «chimie au marteau» que ces conditions ont été atteintes.Dans la seconde partie, nous avons entrepris des études théoriques et expérimentales approfondies sur la croissance d'une nouvelle forme allotropique de silicium et de germanium: le silicène et le germanène, à savoir, une mono-couche d'atomes intégrée dans un réseau hexagonal qui ressemble fortement au graphène. Afin d'exclure tout mélange entre les atomes de silicium ou de germanium avec le substrat et de conserver leurs caractéristiques prometteuses comme de nouveaux matériaux de Dirac, nous avons effectué nos dépôts, sur un substrat de graphite chimiquement inerte. Une de nos découvertes cruciales est que les mono-couches de silicène ou de germanène interagissent avec le substrat de graphite uniquement via des forces de van der Waals. Cette interaction est suffisamment forte pour stabiliser les mono-couches, déposées même au-dessus de la température ambiante, mais suffisamment faible pour empêcher toute hybridation ou alliage entre le silicium ou le germanium et les atomes de carbone du substrat. Par conséquent, les propriétés électroniques exceptionnelles du silicène et du germanène, tels que les cônes de Dirac et les électrons sans masse, sont préservées même après leur dépôt sur les surfaces de graphite. / This thesis is devoted to the study of advanced, exotic forms of nanostructured materials that could lead to the next big advance for nanodevices. Two distinct topics have been considered. The first one is related to plasma-born aromatic silicon nanoclusters (SiNCs), while the second is dedicated to two-dimensional silicon and germanium materials. Based on molecular dynamics simulations and ab initio calculations, as well as, on experimental investigations, we explore a variety of intriguing properties of those exotic materials that are expected to be far superior to those of their conventional counterparts.In the first part of the thesis, we begin with theoretical studies and show that it is possible to obtain aromatic behavior in simple hydrogenated SiNCs with size of ~1nm. We demonstrate that low-temperature silane/hydrogen plasmas close to dust formation present the ideal environment to exploit the natural tendency of silicon to over-coordination for the construction of structures with electron-deficient bonds. Those nanoclusters form spontaneously by self-assembly in plasmas, do not possess tetrahedral structures, are more stable than any other known SiNCs of this size, and have strong aromatic-like properties due to their high electron delocalization. We demonstrate that non-tetrahedral SiNCs exhibit metallic-like bonding schemes that strongly resemble the one of a homogeneous electron gas in small metal clusters. Standard tetrahedral SiNCs of this size can absorb light only in the ultraviolet, while our calculations have shown that pure, but over-coordinated SiNCs absorb light in the ultraviolet, visible, and infrared spectral region. In this thesis, we present first experimental evidence that supports our theoretical predictions. Using incoherent broadband cavity enhanced absorption spectroscopy, we have measured the absorption of SiNCs, in situ, in a plasma reactor and found that they do absorb light in the visible region. In addition, our absorption measurements in the presence of an applied electric field have provided clear evidence that aromatic SiNCs possess a permanent dipole moment, and we have measured it to be between 2 and 2.5 Debye, in excellent agreement to prior ab initio calculations. Finally, our transmission electron microscopy images of such SiNCs, after their deposition under optimized plasma conditions, have revealed the presence of another exotic form of silicon with a primitive hexagonal structure. Such a structure usually forms after exposing diamond-cubic silicon to extremely high pressures. We tentatively claim that those conditions were, actually, achieved in our experiments due to the “chemistry with a hammer”.In the second part of the thesis, we have undertaken in-depth theoretical and experimental studies on the growth of a new allotropic form of silicon and germanium: a single layer of silicon or germanium atoms, only one atom thick and packed in a hexagonal lattice that closely resembles the lattice of graphene, namely silicene and germanene. In order to rule out any intermixing between silicon or germanium atoms and the underneath substrate atoms, as it was the case for metallic substrates, and to maintain their promising features to be new Dirac materials, we have performed our depositions on a chemically inert graphite substrate. One of our crucial findings is that the silicene or germanene monolayers interact with the graphite substrate via van der Waals forces only. The van der Waals interaction is strong enough to stabilize the deposited monolayers even above room temperature, but weak enough to prevent any hybridization or alloying between silicon or germanium and carbon atoms. Consequently, the outstanding electronic properties of free-standing silicene and germanene, such as Dirac cones and massless electrons, are preserved even after their deposition on graphite surfaces.

Ce mémoire s’inscrit dans une optique d’innovation dans le domaine de l’identification des électrons dans l’expérience ATLAS. ATLAS est l’un des quatre détecteurs principaux installés sur le plus puissant accélérateur de particules au monde, le LHC. Cette recherche pousse encore plus loin un projet s’intéressant à l’identification des électrons, qui sont presque omniprésents dans les analyses de la collaboration ATLAS, à l’aide de réseaux de neurones convolutifs. Le réseau entraîné avec des données de simulation de collision proton-proton à √s = 13 TeV dans ATLAS montrant déjà des résultats probants, ce mémoire investigue la possibilité d’entraîner le réseau avec des données expérimentales. D’abord, une étude des ensembles de données expérimentales et de simulation montre des différences entre les distributions des variables de haut niveau données en entrée au réseau de neurones. Ensuite, nous avons entraîné deux réseaux de neurones : un premier sur un échantillon où le bruit de fond principal, les saveurs légères, a été remplacé par des données expérimentales et un second, sur la simulation. Ces deux réseaux ont alors été validés sur l’échantillon contenant des données expérimentales. Les résultats préliminaires montrent que l’utilisation des données expérimentales améliore le rejet du bruit de fond de type saveur légère jusqu’à 1,4 fois par rapport au réseau de neurones entraîné sur la simulation et améliore jusqu’à 3,6 fois le rejet du bruit de fond combiné par rapport à l’algorithme de vraisemblance présentement utilisé dans ATLAS. / This memoir follows a perspective of innovation in the field of electron identification in the ATLAS experiment. ATLAS is one of the four major detectors installed on the LHC ring, the most powerful particle accelerator in the world. This research pushes the boundaries of an earlier project about identifying electrons, a particle which is almost ubiquitous in ATLAS analysis, using convolutional neural networks. Since the network trained with simulated data of proton-proton collisions at √s = 13 TeV in the ATLAS detector has already shown good results, this memoir investigates the possibility to train a convolutional network with real data. We first study the data samples and show that there are significant differences in the distribution of high level variables given as input to the neural network. We then train two neural networks : one of which the most prominent background, light flavour faking electrons, is replaced by real data in the training sample, and a second where the training sample is left untouched. These two networks are then validated on the sample containing real data light flavours. The preliminary results show that using real data to train our classifier improves the background rejection with respect to the light flavour background by a factor up to 1.4 in comparison with the Monte Carlo trained network. We also have an improvement with respect to the combined background by a factor up to 3.6 when comparing both networks to the Likelihood algorithm currently used in ATLAS.

Le centre de production de faisceaux d'isotopes rares situé sur le site de TRIUMF, utilise la méthode de séparation isotopique en ligne (ISAC) pour produire des faisceaux exotiques, c'est-à-dire des faisceaux d'ion hors de la vallée de stabilité. Pour ce faire, ils utilisent un faisceau de protons, provenant du cyclotron principal, d'intensité allant jusqu'à 100 uA et d'une énergie de 500 MeV. Présentement, les faisceaux sont produits soit à l'aide d'une source d'ionisation à surface chaude, d'une source d'ionisation résonante par laser ou d'une FEBIAD (Forced Electron Beam Induced Arc Discharged). Malheureusement, ces sources d'ionisation ne sont pas adéquates pour les éléments gazeux. Un nouveau type de source est donc nécessaire. La source ECR (Electron Cyclotron Resonance) peut produire des électrons de haute énergie en superposant une onde électromagnétique haute fréquence à un confinement par champ magnétique. Ces électrons d'haute énergie sont essentiels pour l'ionisation d'éléments gazeux. Les ions sont créés à l'intérieur du plasma lorsque les électrons entre en collision avec les atomes neutres. L'absence d'une cathode chaude près de la cavité d'ionisation, permet à la source ECR de produire un faisceau intense d'éléments de forte électronégativité, tel que l'azote, l'oxygène, le fluor, le soufre, etc. Dans ISAC, le taux élevé de radiation due à la proximité de la cible prévient l'utilisation d'une source ECR conventionnelle. À cette fin, MISTIC (Monocharged Ion Source for TRIUMF and ISAC Complex), une source ECR prototype, a été construit à TRIUMF utilisant un concept similaire d'une source conçue au GANIL. Afin d'obtenir une source résistante aux radiations, des électro-aimants sont préférés à l'utilisation d'aimants permanents pour la production du champ de confinement magnétique. Les tests sur la source sont effectués sur un banc d'essai pourvu des instruments nécessaires à l'évaluation des ses performances. Les tests consistent en des mesures d'efficacité d'ionisation et d'émittance pour différentes configurations des paramètres de la source, tel que la force du champ magnétique, la fréquence des micro-ondes et leur puissance et la composition et la densité du plasma. Une sonde de Langmuir fut aussi utilisée afin de mesurer certains paramètres du plasma. Les résultats des expérimentations sur le prototype vont aider à définir les paramètres de la version en ligne de MISTIC. De plus, un travail extensif a été accompli sur une autre source plasma retrouvée à TRIUMF, la FEBIAD, afin d'améliorer ses performances et sa durabilité. Les résultats des mesures d'efficacité effectuées hors ligne vont servir à comparer les performances entre les deux sources.

On trouve dans l'ionosphère des hautes latitudes deux sources majeures d'ionisation : les électrons créés par photo-ionisation solaire, et les électrons précipités. L'établissement de l'équation de transport, qui décrit leur évolution est rappelé, puis nous en discutons et testons un modèle de résolution. Utilisant ce programme, nous calculons la production secondaire diurne d'électrons pour divers flux solaires, et nous en proposons un modèle mathématique plus simple. Puis nous étudions le bilan énergétique des électrons thermiques, à partir de précipitations d'électrons. L'équation du bilan détermine la balance entre les termes de chauffage, de relaxation, et de conduction de la chaleur. Nous montrons, en utilisant des mesures de façon intensive (radar EISCAT, satellite VIKING), que dans l'état actuel des connaissances des sections efficaces, ce bilan est vérifié. L'effet des précipitations d'ions est mis en évidence lors d'une des orbites du satellite.

Résumé : Il est généralement admis que les cassures double-brin (CDB) de l’ADN sont parmi les lésions les plus toxiques induites par les radiations ionisantes (RI). Les CDBs non ou mal réparées peuvent conduire à une instabilité génomique et à la mort cellulaire. La chimioradiothérapie concomitante est l’une des modalités la plus efficace pour le traitement de certains cancers surtout en stade avancé. Le rendement des CDBs a augmenté quand l’ADN a été irradié en présence de cisplatine avec des électrons de basse énergie (EBEs). Notre étude a pour objectif de réévaluer la contribution des CDBs et d’autres lésions induites par les RI dans la létalité cellulaire. L'effet des RI sur la fonctionnalité de l’ADN plasmidique modifié ou non de façon covalente par le cisplatine a été étudié par mesure de l'efficacité de transformation du plasmide dans E. coli. Les complexes cisplatine-ADN ont été préparés de telle sorte qu’il y avait en moyenne deux adduits de cisplatine par plasmide tel que mesuré par ICP-MS. Nos échantillons ont été irradiés en solution avec des doses croissantes de rayonnements gamma (137Cs). La présence de cisplatine a augmenté la formation des CDBs par un facteur de 2.6 par comparaison avec l'ADN non modifié. Malgré cette augmentation, le rendement des CDBs reste très faible et ne peut pas expliquer la perte de fonctionnalité observée. Alors que, les dommages multiples localisés (LMDS) (non-DSB cluster damage) donnant naissance à des CDBs sous l’action des enzymes de réparation la formamidopyrimidine [fapy]-DNA glycosylase (Fpg) et l’endonuclease III (Nth) où leur rendement a été augmenté d’un facteur de 2.1 lorsque l’ADN a été irradié en présence de cisplatine, ont pu expliquer la perte de fonctionnalité observée. Ces résultats suggèrent que le cisplatine peut agir, non seulement comme un agent chimiothérapeutique, mais aussi comme un radiosensibilisateur efficace par addition d’autres lésions à l’ADN. Aussi, pour la première fois nous avons pu évaluer l’effet des EBEs sur la létalité cellulaire. Des films d'ADN ont été préparés en utilisant la méthode d’adsorption douce sur un substrat de graphite pyrolytique, en présence de 1,3- diaminopropane (Dap[indice supérieur]2+) et ont été irradiées avec des EBEs 10 eV. Nous avons pu conclure, qu’en plus des CSBs, CDBs et des dommages de base, les EBEs sont capables aussi d’induire des LMDS (non-DSB cluster damage) et induire la perte de fonctionnalité de l’ADN. Le rendement des CDBs est très faible d’où ils n’ont pas pu expliquer la perte de fonctionnalité de plasmide observée, après irradiation avec les EBEs. Le rendement très faible des LMDS (non-DSB cluster damage) ne peut pas expliquer la perte de fonctionnalité de l’ADN. Il semble que les EBEs sont capables d’induire des dommages très proches les uns des autres et qui ne peuvent pas être révélés par les enzymes de réparation Fpg et Nth. Plus les dommages sont proches les uns des autres, plus leur réparation est difficile, car une de ces lésions peut inhiber la réparation de l’autre la plus proche. // Abstract : It is generally accepted that DNA double-strand breaks (DSB) are among the most toxic lesions induced by ionizing radiation (IR). Unrepaired or misrepaired DSB can lead to genomic instability and cell death. It is known that concomitant chemoradiation therapy is one of the most preferred methods for the treatment of certain cancers especially in advanced stage. The yield of DSBs was increased when DNA was irradiated with low energy electron (LEEs). The aims of our study was to reassess the contribution of DSBs and other lesions induced by indirect and direct effect of IR in cell lethality. The effect of IR on the DNA functionality of the plasmid modified covalently with cisplatin was studied by measuring the transformation efficiency of the plasmid in E. coli. Cisplatin-DNA complexes were prepared such that there was an average of two cisplatin adducts per plasmid as measured by ICP-MS. Aqueous solutions of the samples were irradiated with 137Cs [gamma]-rays at various doses. Gel electrophoresis analysis shows that cisplatin enhances, by a factor of 2.6, the formation of DSB by [gamma]-rays relative to those in unmodified DNA. Despite this increase, the yield of DSBs is very low and cannot explain the loss of functionality observed after transformation with plasmids modified with cisplatin. While locally multiple damaged sites (LMDS) revealed by repair enzymes Fpg (Formamidopyrimidine [fapy]-DNA glycosylase) and Nth (Endonuclease III) as DSB (nonDSB cluster damage), where their yield was increased by a factor of 2.1 when DNA was irradiated in the presence of cisplatin were able to explain the observed loss of DNA functionality. These results suggest that cisplatin may act not only as a chemotherapeutic agent, but also as an effective radiosensitizer by addition of other DNA lesions. For the first time, we could also evaluate the effect of low energy electrons (LEEs) on DNA functionality. Highly ordered DNA films were prepared on pyrolytic graphite by molecular self-assembly using 1,3-diaminopropane ions (Dap[superscript]2+) to bind together the plasmids and irradiated with LEE (10 eV). We concluded that in addition to CSBs, DSBs and base damage, LEEs induced the formation of non-DSB cluster damage and also induced the loss of DNA functionality under LEE irradiation. The yields of DSBs and of non-DSB cluster damage are too low and so one unable to explain the loss of DNA functionality. It seems that LEEs are able to induce a high complex damage that cannot be revealed by repair enzymes Fpg and Nth. The high complex damage is difficult to repair possibly because the repair of one lesion, may inhibit the repair of another.

La théorie de la Supersymétrie est étudiée ici en tant que théorie complémentaire au Modèle Standard, sachant que celui-ci n'explique qu'environ 5% de l'univers et est incapable de répondre à plusieurs questions fondamentales en physique des particules. Ce mémoire contient les résultats d'une recherche de Supersymétrie effectuée avec le détecteur ATLAS et utilisant des états finaux contenant entre autres une paire de leptons de même charge électrique ou trois leptons. Les données proviennent de collisions protons-protons à 13 TeV d'énergie dans le centre-de-masse produites au Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) en 2015. L'analyse n'a trouvé aucun excès significatif au-delà des attentes du Modèle Standard mais a permis tout de même de poser de nouvelles limites sur la masse de certaines particules supersymétriques. Ce mémoire contient aussi l'étude exhaustive d'un bruit de fond important pour cette analyse, soit le bruit de fond provenant des électrons dont la charge est mal identifiée. L'extraction du taux d'inversion de charge, nécessaire pour connaître combien d'événements seront attribuables à ce bruit de fond, a démontré que la probabilité pour que la charge d'un électron soit mal identifiée par ATLAS variait du dixième de pourcent à 8-9% selon l'impulsion transverse et la pseudorapidité des électrons. Puis, une étude fut effectuée concernant l'élimination de ce bruit de fond via l'identification et la discrimination des électrons dont la charge est mal identifiée. Une analyse multi-variée se servant d'une méthode d'apprentissage par arbres de décision, basée sur les caractéristiques distinctives de ces électrons, montra qu'il était possible de conserver un haut taux d'électrons bien identifiés (95%) tout en rejetant la grande majorité des électrons possédant une charge mal identifiée (90-93%). / Since the Standard Model only explains about 5% of our universe and leaves us with a lot of open questions in fundamental particle physics, a new theory called Supersymmetry is studied as a complementary model to the Standard Model. A search for Supersymmetry with the ATLAS detector and using final states with same-sign leptons or three leptons is presented in this master thesis. The data used for this analysis were produced in 2015 by the Large Hadron Collider (LHC) using proton-proton collisions at 13 TeV of center-of-mass energy. No excess was found above the Standard Model expectations but we were able to set new limits on the mass of some supersymmetric particles. This thesis describes in detail the topic of the electron charge-flip background, which arises when the electric charge of an electron is mis-measured by the ATLAS detector. This is an important background to take into account when searching for Supersymmetry with same-sign leptons. The extraction of charge-flip probabilities, which is needed to determine the number of charge-flip events among our same-sign selection, was performed and found to vary from less than a percent to 8-9% depending on the transverse momentum and the pseudorapidity of the electron. The last part of this thesis consists in a study for the potential of rejection of charge-flip electrons. It was performed by identifying and discriminating those electrons based on a multi-variate analysis with a boosted decision tree method using distinctive properties of charge-flip electrons. It was found that we can reject the wide majority of mis-measured electrons (90-93%) while keeping a very high level of efficiency for well-measured ones (95%).

Le formalisme des fonctions de Green hors-équilibre (NEGF pour « Non-equilibrium Green’s function) a suscité au cours des dernières décennies un engouement fort pour étudier les propriétés du transport quantique des nanostructures et des nano-dispositifs dans lesquels les interactions inélastiques, comme la diffusion des électrons-phonons, jouent un rôle significatif. L'incorporation d'interactions inélastiques dans le cadre du NEGF s’effectue généralement dans l'approximation auto-cohérente de Born (SCBA pour « Self-consistent Born approximation) qui représente une approche itérative plus exigeante en ressources numériques. Nous proposons dans ce travail de thèse une méthode efficace alternative dite LOA pour (« Lowest Order Approximation. Son principal avantage est de réduire considérablement le temps de calcul et de décrire physiquement la diffusion électron-phonon. Cette approche devrait considérablement étendre l'accessibilité de l'utilisation de codes atomistiques de transport quantique pour étudier des systèmes 3D réalistes sans faire à des ressources numériques importantes. / Non-equilibrium Green’s function (NEGF) formalism during recent decades has attracted numerous interests for studying quantum transport properties of nanostructures and nano-devices in which inelastic interactions like electron-phonon scattering have a significant impact. Incorporation of inelastic interactions in NEGF framework is usually performed within the self-consistent Born approximation (SCBA) which induces a numerically demanding iterative scheme. As an alternative technique, we propose an efficient method, the so-called Lowest Order Approximation (LOA) coupled with the Pade approximants. Its main advantage is to significantly reduce the computational time, and to describe the electron-phonon scattering physically. This approach should then considerably extend the accessibility of using atomistic quantum transport codes to study three-dimensional (3D) realistic systems without requiring numerous numerical resources.

Matériaux dans lesquels les électrons responsables des propriétés de basse énergie son soumis à fortes corrélations sont aujourd'hui très étudiés à la recherche de nouvelles phases émergentes aux propriétés surprenantes et/ou utiles.Les supraconducteurs à base de fer (IBSC) sont maintenant considérés dans cette classe de composés. En utilissant des techniques multi-corps nécessaires pour le traitement théorique de ces corrélations (théorie du champ moyen de spin esclave - SSMFT et théorie du champ moyen dynamique - DMFT - en conjonction avec la théorie du fonctionnelle de la densité, DFT), dans cette thèse, j'etudie plusieurs propriétés d'IBSC.D’abord, j'analyse les composés très dopés de la famille de IBSC, qui montrent expérimentalement certains comportements typiques des ``fermions lourds'', des composés typiquement des terres rares ou des actinides, où des électrons extrêmement corrélés coexistent avec des électrons moins corrélés. En particulier je me concentre sur la chaleur spécifique et le pouvoir thermoélectrique et je montre comment ces propriétés peuvent être comprises dans le paradigme récemment développé ``métaux de Hund''. En effet, l’échange intra-atomique (le ``couplage de Hund'') est responsable de ces matériaux à éléments métal de transition en montrant la physique des fermions lourds. Je montre aussi que les caractéristiques typiquement fermions-lourds du spectre d’excitation, connues car les singularités de Van Hove sont bien capturées par notre modélisation au sein de DFT+SSMFT. J'utilise ensuite DMFT dans un modèle afin d'étudier l'impact direct des singularités de Van Hove sur la force des corrélations.Dans une seconde partie, je montre comment FeSe, le IBSC actuellement le plus étudié, se trouve également dans une phase métal de Hund, mais il est amené à la frontière de cette phase par la pression. Cette frontière est liée à une augmentation de la compressibilité électronique qui est positivement corrélée à l’augmentation de la supraconductivité trouvée dans les expériences.Je réalise une étude analogue sur le détenteur du record pour la température supraconductrice critique la plus élevée, la monocouche FeSe où je trouve également une compressibilité augmentée. Cela appuie la récente proposition selon laquelle la frontière du métal de Hund favorise la supraconductivité à haute température.Enfin, j'étudie la nature du magnétisme dans une autre famille de IBSC, les germanides de fer. J'explore différents ordres magnétiques possibles avec des simulations DFT et leur concurrence (ce qui peut en principe favoriser la supraconductivité) dans plusieurs composés où différents substitutions sont appliquées au composé parent YFe2Ge2. J'étudie également l'effet de la pression chimique sur ce composé. / Materials where the electrons responsible for the low-energy properties experience strong correlations are today very investigated in search of emerging new phases with surprising and/or useful properties. Iron-based superconductors (IBSC) are now considered in this class of compounds. Using the many-body techniques necessary for the theoretical treatment of these correlations (slave-spin mean field theory - SSMFT- and dynamical mean field theory - DMFT- in conjunction with density functional theory, DFT), in this thesis I address several properties of IBSC.First I analyze the very hole-doped compounds in the IBSC family, that show experimentally some behaviors typical of the so-called “heavy fermions”, compounds typically of rare earth or actinides, where extremely correlated electrons coexist with others less correlated. In particular I focus on the specific heat and the thermoelectric power and show how these properties can be understood in the recently developed paradigm of “Hund’s metals”. Indeed the intra-atomic exchange (the “Hund’s coupling”) is responsible for these materials of transition metal elements showing heavy-fermionic physics. I show also that typical heavy-fermionic features of the excitation spectrum, known as Van Hove singularities are well captured by our modelization within DFT+SSMFT. I then use DMFT in a model in order to study the direct impact of the Van Hove singularities on the strength of correlations.In a second part I show how FeSe, the presently most studied IBSC, is also in a Hund’s metal phase, but it is brought to the frontier of this phase by pressure. This frontier is connected to an enhancement of the electronic compressibility which correlates positively then with the enhancement of superconductivity found in experiments. I perform an analogous study on the record holder for the highest critical superconducting temperature, the monolayer FeSe where I also find an enhanced compressibility. This supports the recent proposal that the frontier of a Hund's metal favors high-temperature superconductivity.Finally I study the nature of magnetism in another family of IBSC, the iron-germanides. I explore different possible magnetic orders with DFT simulations and study their competition (which can in principle favor superconductivity) in several compounds where different chemical substitutions are applied to the parent compound YFe2Ge2. I also study the effect of chemical pressure on this compound.

Cette thèse est consacrée à l'étude mathématique de quelques modèles d'équations aux dérivées partielles issues de la physique des plasmas. On s'intéresse principalement à l'analyse théorique de différents régimes asymptotiques de systèmes d'équations cinétiques de type Vlasov-Poisson-Fokker-Planck. Dans un premier temps, en présence d'un champ magnétique extérieur on se concentre sur l'approximation des électrons sans masse fournissant des modèles réduits lorsque le rapport me{mi entre la masse me d'un électron et la masse mi d'un ion tend vers 0 dans les modèles. Suivant le régime considéré, on montre qu'à la limite les solutions vérifient des modèles hydrodynamiques de type convection-diffusion ou sont données par des densités de type Maxwell-Boltzmann-Gibbs, suivant l'intensité des collisions dans la mise à l'échelle. En utilisant les propriétés hypocoercives et hypoelliptiques des équations, on est capable d'obtenir des taux de convergence en fonction du rapport de masse. Dans un second temps, par des méthodes similaires, on montre la convergence exponentielle en temps long vers l'équilibre des solutions du système de Vlasov-Poisson-Fokker-Planck sans champ magnétique avec des taux explicites en les paramètres du modèles. Enfin, on conçoit un nouveau type de schéma volumes finis pour des équations de convection-diffusion non-linéaires assurant le bon comportement en temps long des solutions discrètes. Ces propriétés sont vérifiées numériquement sur plusieurs modèles dont l'équation de Fokker-Planck avec champ magnétique / This thesis is devoted to the mathematical study of some models of partial differential equations from plasma physics. We are mainly interested in the theoretical study of various asymptotic regimes of Vlasov-Poisson-Fokker-Planck systems. First, in the presence of an external magnetic field, we focus on the approximation of massless electrons providing reduced models when the ratio me{mi between the mass me of an electron and the mass mi of an ion tends to 0 in the equations. Depending on the scaling, it is shown that, at the limit, solutions satisfy hydrodynamic models of convection-diffusion type or are given by Maxwell-Boltzmann-Gibbs densities depending on the intensity of collisions. Using hypocoercive and hypoelliptic properties of the equations, we are able to obtain convergence rates as a function of the mass ratio. In a second step, by similar methods, we show exponential convergence of solutions of the Vlasov-Poisson-Fokker-Planck system without magnetic field towards the steady state, with explicit rates depending on the parameters of the model. Finally, we design a new type of finite volume scheme for a class of nonlinear convection-diffusion equations ensuring the satisfying long-time behavior of discrete solutions. These properties are verified numerically on several models including the Fokker-Planck equation with magnetic field

Les lasers à électrons libres (LELs) à simple passage représentent actuellement la possibilité la plus prometteuse pour fournir des impulsions lumineuses de haute énergie (µJ à mJ) à des échelles de durée femtoseconde (1 fs = 10⁻¹⁵s) et des longueurs d’ondes ultra-courtes (résolution nanométrique i.e., jusqu’aux domaines de l’extrême-ultraviolet et des rayons X). Les LELs émettant dans l’extrême-ultraviolet sont une technologie encore jeune, si bien que de nombreuses questions restent ouvertes. Celles posées au sein de ce manuscrit concernent la configuration dite injectée, dans laquelle le processus est initié par une source externe cohérente (le “seed"). Nous nous concentrons particulièrement dans cette thèse sur les caractéristiques transverses et longitudinales de la lumière, sa cohérence, les propriétés de la phase temporelle et les liens directs entre le seed et l’émission LEL. La technique de génération dans un gaz noble d’harmoniques d’ordres élevés d’un laser femtoseconde (GHE) se montre à la fois complémentaire et en compétition avec les LELs. En compétition car les impulsions produites ont des qualités similaires à celles obtenues avec un LEL ; complémentaire car le rayonnement GHE peut être utilisé comme seed ou en combinaison avec la lumière LEL, par exemple pour effectuer des expériences mettant en jeu de multiples faisceaux. Bien que la GHE fournisse des impulsions moins puissantes, l’implémentation d’une telle source requiert un effort significativement moins important. Le taux de conversion harmonique, l’accordabilité et la qualité spatiale du faisceau généré, et la manière dont ces paramètres dépendent du laser générateur sont les problématiques traitées au sein de ce manuscrit. La volonté de la communauté scientifique d’effectuer des expériences novatrices demande des études profondes et l’optimisation des sources de GHE et des LELs. En particulier, sur la source LEL injectée FERMI@Elettra de Trieste, l’induction d’une dérive de fréquence dans le rayonnement a conduit à des résultats marquants. Entre autres, une méthode de génération d’impulsions scindées avec différentes longueurs d’ondes a été analysée et développée. Une telle possibilité ouvre la voie à l’utilisation des LELs injectés en tant que source autonome pour des installations de type pompe-sonde à deux couleurs. Plus généralement, l’étude des phénomènes mis en jeu dans les processus de GHE et du LEL ainsi que la caractérisation des propriétés de leur lumière sont des sujets intrinsèquement excitants, ayant des connexions directes avec de nombreux aspects fondamentaux de la physique. / Single-pass free-electron lasers (FELs) are currently the most promising facilities for providing light pulses with high energies (µJ to mJ) at femtosecond time scales (1 fs = 10⁻¹⁵s) and with ultrashort wavelengths (nanometer resolution i.e., down to extreme-ultraviolet and X-ray spectral regions). Extreme-ultraviolet FELs are still quite young so that many questions remain open. Those addressed within this manuscript concern the so-called seeded configuration, where an external coherent source (the “seed") initiates the process. In particular, we focus in this thesis on the transverse and longitudinal characteristics of the light, its coherence, the properties of the temporal phase and the direct correlations between the seed and the FEL emission. With regard to FELs, high-order harmonics of femtosecond laser pulses generated in noble gases (HHG technique) exhibit both competitive and complementary features. Competitive, because the produced pulses have similar assets as the ones provided by an FEL. Complementary, because the generated harmonics can be used as a seed or, in combination with FEL light, to perform multi-beam experiments. Even though less powerful pulses are produced by a HHG source, its implementation requires a significantly smaller effort. The efficiency of harmonic conversion, the tunability and spatial quality of the generated beam, and how these parameters depend on the driving laser are the issues discussed within this manuscript. The general will of the scientific community to perform novel experiments requires deep studies and optimization of FEL and HHG sources. In particular, on the seeded FEL facility FERMI@Elettra of Trieste, the induction of chirp in the radiation has led to remarkable results. Among others, a method of generation of split pulses with different wavelengths has been construed and developed. Such a possibility paves the way for the use of seeded FEL facilities as stand-alone sources for two-colour pump-probe setups. More generally, the study of phenomena involved in the FEL and HHG processes, together with the characterization of the light properties, are intrinsically exciting matters that have direct connections with fundamental aspects of physics. / Laser na proste elektrone (LPE, ang. free-electron laser - FEL) z enojnim prehodom je trenutno najbolj obetaven vir femtosekundnih (1 fs = 10⁻¹⁵ s) svetlobnih pulzov z visoko energijo (μJ do mJ) in ultra kratko valovno dolžino (nanometrska ločljivost, t.j., vse do spektralnega območja ekstremne ultravijolične in rentgenske svetlobe). LPE-ji, ki delujejo na področju ekstremne ultravijolične svetlobe, so razmeroma novi svetlobni viri, kar pomeni, da so glede njihovega delovanja odprta še mnoga vprašanja. V pričujočem doktorskem delu smo se ukvarjali predvsem z dvostopenjsko konfiguracijo, pri kateri LPE ojači zunanje (koherentno) elektromagnetno valovanje (seed). Osredotočili smo se na transverzalne in longitudinalne lastnosti proizvedene svetlobe, koherenco, lastnosti časovne faze ter na direktne korelacije med zunanjim virom (seed) in sevanjem LPE-ja. Poleg LPE-jev so v vzponu tudi svetlobni viri, ki temeljijo na generaciji visokih harmonikov (GVH, ang. high-order harmonic generation - HHG) v žlahtnih plinih. Ti svetlobni viri so zaradi podobnih lastnosti pulzov konkurenčni LPE-jem, po drugi strani pa predstavljajo komplementarne izvore svetlobe, ker jih je mogoče uporabiti v dvostopenjski LPE konfiguraciji kot vir zunanjega elektromagnetnega valovanja (seed) ali v kombinaciji z LPE-jem v eksperimentih z dvema ali več žarki. Kljub temu, da so ti svetlobni viri šibkejši v primerjavi z LPE-ji, je njihova izvedba bistveno lažja. V dizertaciji obravnavamo izkoristek harmonične pretvorbe virov, ki temeljijo na principu GVH, nastavljivost in prostorsko kakovost žarkov, ter odvisnost omenjenih parametrov od gonilnega laserja. Zaradi vse večje težnje po novih eksperimentih na vseh znanstvenih področjih sta ključna zelo natančno poznavanje delovanja in optimizacija LPE-jev in virov, ki temeljijo na GVH. Med bolj pomembne dosežke na LPE-ju FERMI@Elettra v Trstu spadajo možnost spreminjanja trenutne frekvence proizvedene svetlobe (ang. chirp) na podlagi katere je bila razvita metoda za generacijo razdeljenih pulzov z različnimi valovnimi dolžinami. S pomočjo te metode bo možno dvostopenjske LPE-je uporabljati kot samostojne vire svetlobe za poskuse v t.i. načinu « pump-probe ». V dizertaciji so predstavljene študije pojavov, ki so prisotni pri generaciji svetlobe v LPE-jih ter virih, ki temeljijo na GVH. Ti pojavi so, skupaj z metodami karakterizacije proizvedene svetlobe, tesno povezani s temeljnimi principi v fiziki.