Nous avons développé un microscope à émission d'électrons balistiques (BEEM) sous ultra-vide, dédié à l'étude des propriétés électroniques d'interfaces d'hétérostructures à base de semiconducteurs III-V pertinentes pour des applications potentielles en électronique de spin. Dans un premier temps, nous avons étudié les contacts Schottky épitaxiés Au(110)/GaAs(001) et Fe(001)/GaAs(001). Nous montrons d'un point de vue théorique que le transport cohérent d'électrons chauds à travers le métal et la conservation de la composante transverse du vecteur d'onde électronique à l'interface métal/GaAs sont à l'origine des signatures spectroscopiques BEEM contrastées observées expérimentalement sur ces deux systèmes. Ensuite, l'étude du contact tunnel MgO/GaAs(001) a révélé la présence de canaux de conduction situés dans la bande interdite de MgO. Ces canaux sont associés à la présence de lacunes d'oxygène localisées dans l'oxyde, qui diminuent fortement la hauteur de barrière tunnel. Finalement, le phénomène de magnétorésistance d'électrons chauds dans la vanne de spin Fe/Au/Fe/GaAs(001) permet d'observer par BEEM des domaines et des parois de domaines magnétiques avec une résolution latérale nanométrique.

Cette thèse porte sur l'étude d'oxydes d'iridium dont le fort couplage spin-orbite est susceptible de générer de nouvelles phases électroniques et magnétiques. Deux familles de composés ont été considérées: Sr3MM’O6, à chaines de spins mixtes arrangées sur réseau triangulaire, et R2Ir2O7, à réseaux pyrochlores interpénétrés de spins. Ils ont été synthétisés sous forme polycristalline et pour certains sous forme monocristalline puis étudiés macroscopiquement par mesure d'aimantation. Ils ont ensuite été sondés microscopiquement par diffusion de neutrons et de rayons X. Nos mesures montrent que dans les composés à chaînes de spins Sr3NiPtO6 et Sr3NiIrO6 les ions Ni2+ présentent une très forte anisotropie magnétocristalline planaire perpendiculaire à l'axe des chaînes. Nous démontrons que ceci stabilise dans Sr3NiPtO6 une phase non magnétique dite « large-D ». Cette anisotropie se manifeste dans Sr3NiIrO6 à haute température. Ce composé s'ordonne cependant à basse température dans une structure magnétique avec les moments alignés le long de l'axe des chaînes. Nous expliquons ce changement d'anisotropie comme étant dû à la présence des ions Ir4+ dont le couplage spin-orbite produit une forte anisotropie des interactions Ni-Ir qui confinent les moments magnétiques le long des chaînes. Concernant les pyrochlores iridates R2Ir2O7, les mesures d'aimantation et de diffraction de neutron sont cohérents avec un ordre "all-in/all-out" des moments magnétiques des ions Ir4+, révélé indirectement via le comportement du sous-réseau des terres rares R. Cet ordre est le seul compatible avec la phase semi-métal de Weyl prédite comme résultant du fort couplage spin-orbite. Le comportement du sous-réseau de terre rare R dépend de l'anisotropie magnétocrystalline des ions R3+. Les ions à anisotropie uniaxiale locale sont polarisés par le champ moléculaire produit par l'ordre de l'iridium dont la direction coïncide avec l'axe d'anisotropie. Les ions à anisotropie locale planaire perpendiculaire à cette direction ne présentent pas d’ordre magnétique induit par celui de l'iridium. A plus basse température, les interactions entre terres rares génèrent des comportements magnétiques plus complexes. / This thesis focuses on the study of iridium oxides, in particular on the consequences of the strong spin-orbit coupling of the iridium. Two families of compounds have been investigated: Sr3MM’O6, with mixed spin chains arranged on a triangular lattice, and R2Ir2O7 with interpenetrated pyrochlores networks of spins. Polycrystalline samples have been synthetized and in some instances single crystals were successfully grown. They were investigated macroscopically by magnetization measurements and probed microscopically by neutron and synchrotoron X-ray scattering experiments. Our measurements showed that in the spin chain compounds Sr3NiPtO6 and Sr3NiIrO6 the Ni2+ ions show a strong easy plane magnetocrystalline anisotropy, perpendicular to the chain axis. This stabilizes in Sr3NiPtO6 the so-called "large-D" non-magnetic phase. The planar anisotropy comes out in Sr3NiIrO6 at high temperature. The compound however orders at low temperature in a magnetic configuration with all the magnetic moments confined along the chain axis. We explain this change of anisotropy as due to the Ir4+ ions whose spin-orbit coupling produces a strong anisotropy of the intra-chain Ni-Ir magnetic interactions overwhelming the single-ion Ni2+ anisotropy. Concerning the pyrochlore iridates R2Ir2O7, magnetization measurements and neutron powder diffraction experiments are consistent with an "all-in/all-out" magnetic ordering of the Ir magnetic moments, revealed indirectly through the magnetic behavior of the rare-earth sublattice. This ordering is the only one consistent with a Weyl semi-metal phase predicted to arise from the spin-orbit coupling. The magnetic behavior of the rare-earth sublattice depends on the rare earth magnetocrystalline anisotropy. The ions with local uniaxial anisotropy are polarized by the Ir molecular field, whose direction coincides with the anisotropy axis. The ions with local planar anisotropy perpendicular to this direction show no iridium induced long-range magnetic ordering. At lower temperature, rare-earth interactions generate more complex magnetic behaviors.

Cette thèse montre de nouveaux résultats sur les supraconducteurs ferromagnétiques UCoGe et URhGe et sur l’ordre caché dans URu2Si2. Le diagramme de phase pression température d’UCoGe a été étudié jusqu’à 10.5 GPa. L’ordre ferromagnétique subsiste jusqu’à la pression critique pc≈1 GPa et la supraconductivité non conventionnelle jusqu’à p = 4 GPa. Les fluctuations magnétiques responsables de la supraconductivité peuvent être réduites par l’application d’un champ magnétique. Les surfaces de Fermi d’UCoGe et d’URhGe ont été mesurées grace aux oscillations quantiques. Quatre poches ont été détectées dans UCoGe, elles subissent une succession de transition de Lifshitz de la surface de Fermi sous champ magnétique. Les poches détectés évoluent continument avec la pression jusqu’à 2.5 GPa, sans montrer de reconstruction de la surface de Fermi à la pression critique pc. Dans URhGe, trois poches lourdes de la surface de Fermi ont aussi été découvertes. Enfin dans la phase d’ordre caché d’URu2Si2, les oscillations quantiques ont révélé une forte anisotropie du facteur gyromagnétique g pour deux poches de la surface de Fermi, qui est comparable à l’anisotropie macroscopique. Cette dernière a été étudiée à partir du champcritique supérieur de la supraconductivité. / This thesis is concentrated on the ferromagnetic superconductors UCoGe and URhGe andon the hidden order state in URu2Si2. In the first part the pressure temperature phase diagram of UCoGe was studied up to 10.5 GPa. Ferromagnetism vanishes at the critical pressure pc≈1 GPa. Unconventional superconductivity and non Fermi liquid behavior can be observed in a broad pressure range around pc. The superconducting upper critical field properties were explained by the suppression of the magnetic fluctuations under field. In the second part the Fermi surfaces of UCoGe and URhGe were investigated by quantum oscillations. In UCoGe four Fermi surface pockets were observed. Under magnetic field successive Lifshitz transitions of the Fermi surface have been detected. The observed Fermi surface pockets in UCoGe evolve smoothly with pressure up to 2.5 GPa and do not show any Fermi surface reconstruction at the critical pressure pc. In URhGe, three heavy Fermi surface pockets were detected by quantum oscillations. In the last part the quantum oscillation study in the hidden order state of URu2Si2 shows a strong g factor anisotropy for two Fermi surface pockets, which is compared to the macroscopic g factor anisotropy extractedfrom the upper critical field study.

Le XXe siècle a marqué le succès de la construction du modèle standard de la physique des particules. Elaborée entre les années 1930 et 1970, cette théorie des particules élémentaires et des interactions électromagnétique, faible et forte a depuis été abondamment vérifiée auprès des collisionneurs tels que le LEP et le Tevatron. Malgré ce succès, certaines questions laissées en supsens ont nécessité l'élaboration de nouvelles théories permettant de dépasser le cadre du modèle standard. Parmi ces théories nombreuses sont celles prédisant l'existance d'un nouveau boson Z' à l'échelle du TeV. Les données du LHC, recueillies depuis son démarrage à l'automne 2008, offrent une nouvelle fois l'opportunité de confronter le modèle standard à ses prédictions et de rechercher les signatures de l'existence de nouvelle physique jusqu'à des énergies inégalées. Le travail mené au sein de l'expérience ATLAS au cours de ces quatres premières années s'est ainsi orienté autour de la compréhension du détecteur et de l'analyse des premières données. Cette thèse couvre ces deux aspects. La première partie du travail présenté revient ainsi sur la mise en évidence d'une pathologie de l'électronique de lecture du calorimètre à argon liquide d'ATLAS ainsi que sur l'étude de larges déviations cohérentes du bruit observées depuis sa mise en service. La mise en place d'une stratégie de préservation des données collectées y est détaillée. La seconde partie de ce manuscrit se concentre sur la recherche d'un nouveau boson Z'. Si tant est qu'une telle particule existe, sa décroissance en un électron et un positron devrait donner lieu à l'apparition d'une nouvelle résonance massive dans le spectre en masse invariante diélectron. Les performances de reconstruction et d'identification des électrons, particulièrement à haute impulsion transverse, sont étudiées. L'analyse des 4.9 fb-1 de données collectées en 2011 est décrite. En l'absence de déviation significative par rapport aux prédictions du modèle standard, le spectre en masse invariante diélectron est réinterprété afin de dériver les limites sur l'existence de nouveaux bosons issus de théories de grande unification (E6) et sur l'existence d'un boson de type SSM. Ces limites et celles obtenues par l'expérience CMS sont à l'heure actuelle les plus contraignantes quant à l'existence de ces nouveaux bosons. / The Standard Model of particle physics has known a tremendous rise during the twentieth century. Built up, from the early 1930s to the 1970s, this theory describing elementary particles and their interactions (electromagnetic, weak, strong) has now been intensivly tested by LEP and Tevatron colliders. Besides its succes, some problems remain and have lead to new theories attempting to go beyond the standard model. Many of them are predicting the existence of a new gauge boson Z', which is supposed to be observed at the TeV scale. Data recorded by the LHC since automn 2008 are a new opportunity to check the consistency of the Standard Model and to search for new physics evidence. Work that has been done by the ATLAS collaboration during the last four years has focused on understanding detector's behaviour and analysing the very first collected collisions. This thesis is reflecting these two aspects. Therefore, the first part of this thesis describes the caracterisation of a pathology of ATLAS liquid argon calorimeter electronics and of coherent noise bursts that have both been observed since the beginning of ATLAS operation. The policy deployed to preserve data quality is also detailled. The second part is focusing on the search for new Z' gauge boson. In case this particle was to exist, its decay into an electron and a positron would lead to a new massive resonance in the dielectron invariant mass spectrum. Therefore electron reconstruction and identification performances are closely looked at, especially at high transverse momentum. Analysis made on the 4.9 fb-1 of collected data is reported. As no significant excess with respect to Standard Model predictions is observed, the dielectron invariant mass spectrum is interpreted to derive mass limits concerning the existence of new Z' gauge bosons appearing in grand unification theories (E6) and effective sequential standard model (SSM). These limits and those derived by the CMS collaboration are the best ever set on such new bosons.

L'irradiation de l'air par un rayonnement X, est à l'origine de la création d'un plasma pouvant modifier la génération et la propagation des champs électromagnétiques (champs EM), perturbant ainsi les systèmes électroniques environnants. La quantification de ces contraintes nécessite en amont une étude approfondie sur le plasma généré par les particules énergétiques. Un modèle de cinétique chimique 0D a été développé afin de caractériser le plasma au cours du temps pour différentes pressions d'air. Le modèle est défini par le couplage des équations d'évolution des densités des espèces composant le plasma avec l'équation de conservation de la densité d'énergie moyenne des électrons. Afin de mettre en place et tester le modèle, il a d'abord été appliqué à un cas théorique, où le plasma est généré par un flash X d'une durée de 100 ns, possédant une énergie moyenne constante et égale à 1 MeV. Suite à l'irradiation de l'air sec par les X, deux populations d'électrons Compton " relativistes " et " non relativistes " sont générés. Les électrons Compton initient l'avalanche électronique conduisant à la formation du plasma étudié. Les résultats obtenus montrent que le plasma est principalement généré par l'ionisation du gaz par les électrons Compton relativistes. Bien qu'initié par des X durs, le plasma généré est faiblement ionisé avec une densité électronique maximale de 1013 cm-3 à la pression atmosphérique et une énergie moyenne maximale des électrons d'environ 4 eV. Afin de valider le modèle, des mesures temporelles de densités électroniques ont été effectuées. Les travaux réalisés consistent à irradier un guide d'onde remplie d'air, à une pression fixée, par une impulsion de rayonnement X durant 90 ns. L'objectif de l'expérience est de mesurer l'absorption d'une onde électromagnétique suite à son passage dans le plasma contenu dans le guide. Le coefficient d'absorption de l'onde dans le guide dépend de la constante de propagation en espace libre, qui est proportionnelle à la fréquence plasma et donc à la densité électronique. La restitution de la densité électronique expérimentale est alors établie en utilisant les formalismes d'absorption dans un guide d'onde remplie de plasma. / The irradiation of air by an X-ray, produces an air plasma which can affect the generation and the propagation of electromagnetic fields, disrupting the surrounding electronic systems. Quantifying these constraints requires beforehand a comprehensive study of the plasma generated by the energetic particles. A 0D chemical kinetics model was developed to characterize the time evolution of the air X-ray induced plasma for different air pressures. The model is defined by the coupling of the evolution equation of the densities of the main species plasma with the equation of conservation of the mean energy density of electrons. To develop and test the model, it was first applied to a theoretical case where the plasma is generated by an X-ray flash with a duration of 100 ns with a constant mean energy equal to 1 MeV. The irradiation of dry air by X-rays leads to the generation of two populations of electrons Compton "relativistic" and "non-relativistic". In fact, these Compton electrons initiate the electron avalanches leading to the formation of the studied plasma. The obtained results show that the plasma is primarily generated by ionization of the gas by the relativistic Compton electrons. Although initiated by hard X-rays, the plasma generated is weakly ionized with a maximum electron density of 1013 cm-3 at atmospheric pressure and a maximum electron mean energy of about 4 eV. The validation of the model is based on the electron density measurements. For various air pressures, the experiments performed consist of irradiating an air-filled waveguide, by an X-ray pulse during 90 ns. The aim of the experiment is to measure the absorption of an electromagnetic wave after its passage through the plasma contained in the guide. The absorption coefficient of the wave in the guide depends on the constant of propagation in free space, which is proportional to the plasma frequency and thus to the electron density. The experimental electron density is then determined using the formalism of absorption in a plasma filled waveguide. To compare the experimental and numerical results, the kinetic model was adapted to the experiments by considering more particularly the waveguide walls and the humidity of the air. In the case of air with 76% of relative humidity, between 30 mbar and atmospheric pressure, the relative gap between the measurements and the model for the maximum electron density is lower than 10% knowing that the maximum of the density varies from 3.5x1013 to 4x1011 cm-3. The deviation between the measured electron density and the simulated one, increases when the whole X-ray pulse duration is considered, with a mean relative deviation of about 30%. Knowing that the measurement of the electron density is determined with an uncertainty of ± 30%, the kinetic model results are satisfying and thus enable the model validation. The kinetic model has also allowed to determine the time evolution of the mean electron energy of the plasma.

Les paquets d'électrons relativistes circulant dans les anneaux de stockage sont des sources de rayonnement VUV, X et THz incontournables. Cependant, ces systèmes sont également connus pour présenter des instabilités dynamiques. Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à l'instabilité dite de microbunching, qui mène à l'apparition de microstructures à l'échelle millimétrique, et à l'émission de bouffées intense de rayonnement THz cohérent. L'objectif de la thèse était d'avancer dans la compréhension de la dynamique non-linéaire de ces structures, en combinant études expérimentales et numériques. Les expériences ont été effectuées au Synchrotron SOLEIL et à UVSOR, et les études numériques ont été principalement basées sur l'équation de Vlasov-Fokker-Planck. Dans un premier temps, la rapidité des échelles de temps impliquées nous a menés à réaliser des études indirectes. Des informations sur la dynamique à l'échelle picoseconde ont ainsi pu être déduites d'enregistrements au moyen de détecteurs possédant des constantes de temps beaucoup plus lentes (la microseconde), et en particulier en étudiant la réponse à des perturbations laser. Ensuite, au moyen de deux techniques nouvelles, nous avons pu réaliser les premières observations directes des structures et de leur dynamique. A UVSOR, nous avons utilisé un détecteur THz à film mince de YBCO supraconducteur. Ensuite, nous avons développé une méthode originale associant l'effet électro-optique et l'étirement temporel, ce qui nous a permis d'atteindre une résolution picoseconde, au Synchrotron SOLEIL. Ces nouvelles observations nous ont immédiatement permis de réaliser des tests extrêmement sévères des modèles théoriques. / Relativistic electron bunches circulating in storage rings are used to produce intense radiation from far-infrared to X-rays. However, above a density threshold value, the interaction between the electron bunch and its own radiation can lead to a spatio-temporal instability called microbunching instability. This instability is characterized by a strong emission of coherent THz radiation (typically 105 times stronger than the classical synchrotron radiation) which is a signature of the presence of microstructures (at mm scale) in the electron bunch. This instability is known to be a fundamental limitation of the operation of synchrotron light sources at high beam current. In this thesis, we have focused on this instability from a nonlinear dynamics point of view by combining experimental studies carried out at the Synchrotron SOLEIL and UVSOR storage rings with numerical studies mainly based on the Vlasov-Fokker-Planck equation. In a first step, due to the very indirect nature of the experimental observations, we have sought to deduce information on the microstructure wavenumber either by looking at the temporal evolution of the THz signal emitted during the instability or by studying the response of the electron bunch to a laser perturbation. In a second step, we have achieved direct, real time observations of the microstructures dynamics through two new, very different, detection techniques: a thin-film superconductor-based detector at UVSOR, and a spectrally-encoded electro-optic detection technique at SOLEIL. These new available experimental observations have allowed severe comparisons with the theoretical models.

Le réseau de télescopes H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) permet de détecter des particules du rayonnement cosmique (astroparticules) par l'émission de lumière Cherenkov émise par les particules secondaires résultant de l'interaction d'une particule primaire dans l'atmosphère terrestre. Outre la détection et l'étude de sources astrophysiques qui émettent des rayons gamma, H.E.S.S. permet d'étudier les différentes émissions diffuses du rayonnement cosmique. L'intérêt de ces émissions diffuses dans la compréhension de l'origine et la propagation des rayons cosmiques ainsi que la possibilité d'y détecter un signal de matière noire est rappelé dans ce manuscrit. Après une présentation de l'expérience H.E.S.S., la possible amélioration de la discrimination entre les rayons gamma et les électrons avec H.E.S.S. est discutée. En particulier, la possibilité de détecter le rayonnement Cherenkov direct émis par les électrons primaires du rayonnement cosmique au contraire des rayons gamma est abordée. Ensuite, une méthode de discrimination basée sur une comparaison à l'aide d'un maximum de vraisemblance entre des images enregistrées par les caméras des télescopes et des images issues d'un modèle semi-analytique est utilisée afin d'obtenir une reconstruction spectrale des électrons et des positrons du rayonnement cosmique avec les données de H.E.S.S. Cette mesure permet pour la première fois d'étendre la détermination du spectre en énergie des électrons et des positrons du rayonnement cosmique jusqu'à 20 TeV. / The telescope array H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) allows to detect cosmic ray particles with the Cherenkov light that is emitted by the secondary particles resulting of the interaction of the primary particles in the Earth’s atmosphere. Besides the detection and the study of astrophysical sources that emit rays, H.E.S.S. allows to study the different diffuse emissions that compose the cosmic rays. The interest of these diffuse emissions for the comprehension of the origin and the propagation of cosmic rays as well as the chance that they conduct to the detection of a dark matter signal is recalled in this manuscript. Following a presentation of the H.E.S.S. experiment, the possible improvment of the discrimination between rays and electrons with H.E.S.S. is discussed. Especially, the possibility of detecting direct Cherenkov light emitted by primary cosmic ray electrons but not by primary rays is addressed. Then, a discriminating method based on a log-likelihood comparison between recorded images and template images from a semi-analytical model is used to obtain a spectral reconstruction of the cosmic ray electrons and positrons with H.E.S.S. data. This measurement allows for the first time to establish the shape of the energy spectrum of cosmic ray electrons and positrons up to20 TeV.

L’efficacité d’une radioimmunothérapie (RIT) peut impliquer la coexistence des effets ciblés et des effets dit « non ciblés ». Les effets ciblés regroupent les effets biologiques observés dans les cellules ou tissus traversés par les particules ionisantes alors que les effets non-ciblés (ou bystander) sont observés dans des cellules qui n’ont pas été irradiées mais qui sont au proche voisinage des cellules exposées. Nous avons au cours de cette étude évalué in vitro et in vivo, la contribution des effets ciblés et non ciblés dans l’efficacité obtenue lors de la RIT alpha (212Pb, 213Bi) et de la RIT Auger (125I). Les effets ciblés ont été mesurés in vitro sur les cellules irradiées (cellules donneuses) alors que les effets bystander sont mesurés sur les cellules non irradiées (cellules receveuses) par une méthode de transfert de milieu. Elle consiste, à traiter les cellules receveuses dans un milieu de culture pré-incubé pendant 2h avec les cellules donneuses. Nos résultats montrent que la contribution des effets ciblés est nettement plus importante qu’en RIT alpha qu’Auger. En RIT alpha, on observe que les lésions de l’ADN (foci 53BP1et γ-H2AX) pourraient être différenciées en lésions complexes (sites multilésés = observation de gros foci) ou simples lésions (petit foci). Par contre en RIT Auger, ce sont les effets non ciblés qui prédominent sur les effets ciblés. L’utilisation d’inhibiteurs pharmacologiques des ROS montre l’implication du stress oxydatif dans ces effets non ciblés observés en RIT alpha et Auger. Ces effets non ciblés ont été observés également in vivo sur des souris athymiques porteuses de carcinoses péritonéales de petites tailles ; démontrant ainsi leur contribution dans l’efficacité thérapeutique finale observée après la RIT alpha et Auger. L’ensemble de ces résultats indiquent que même si des lésions de l’ADN sont produites après irradiation, que les effets non ciblés pourraient aussi contribuer à l’efficacité thérapeutique finale observée avec les anticorps couplés aux émetteurs de particules alpha ou d’électrons Auger. Ces résultats sont particulièrement intéressants pour la thérapie ciblée car les vecteurs utilisés n’ont pas souvent accès à l’ensemble des cellules constituant la tumeur. / We investigated in vitro and in vivo the relative contribution of targeted and non-targeted effects in the therapeutic efficacy against tumors of antibodies radiolabeled with alpha particle (212Pb, 213Bi) or Auger electron (125I) emitters. Targeted effects occurs in cells directly crossed by ionising particles while non-targeted effects are measured in cells neighbouring irradiated cells. Targeted effects were measured in vitro in cells exposed to antibodies radiolabeled with alpha or Auger emitters (donor cells) while non-targeted effects were investigated in recipient cells. Recipient cells consisted of cells not exposed to radiolabeled-mAbs, but grown in medium previously incubated for 2h with donor cells. We showed that the relative contribution of targeted effects versus non-targeted effects was higher during alpha RIT than Auger RIT. Alpha particles produced 53BP1 and gamma-H2AX foci in donor cells that could be differentiated in large, medium and small foci, while only small foci were observed in recipient cells. We assumed that large foci would correspond to locally multiply damage sites in DNA. Conversely, Auger RIT led predominantly to non-targeted effects compared with targeted effects. Use of radical scavengers showed that oxidative stress was involved in non-targeted effects. In vivo, we showed in athymic nude mice bearing tumor xenograft that non-targeted effects were also involved and participated to therapeutic efficacy of radiolabeled antibodies. These results indicate that although producing single DNA lesion, non-targeted effects can contribute to the therapeutic efficacy of mAbs radiolabeled with alpha particle or Auger electron emitters. These findings are particularly relevant for targeted therapy in which vectors cannot gain access to every tumor cell.

Cette thèse traite des systèmes de Hall quantiques en deux dimensions, dans lesquels les électrons peuvent porter plusieurs degrés de liberté discrets différents. Le ferromagnétisme de Hall quantique fournit une manière de traiter ces degrés de liberté électroniques comme des spins et isospins effectifs des électrons. Les différentes phases du système correspondent alors à différents ordres de spin ou d'isospin. En exploitant cette analogie, nous explorons différents aspects des systèmes bi-dimensionnels dans le régime de Hall quantique en étudiant la structure correspondante des spins et isospins. Ce travail consiste en trois parties qui analysent différents matériaux bi-dimensionnels dans le régime de l'effet Hall quantique. Dans chaque projet, nous utilisons la théorie de Hartree-Fock pour étudier le système à plusieurs composantes de spin et d'isospin dans l'approximation de champ moyen. Toutes nos considérations sont directement stimulées par des résultats expérimentaux. Notre motivation principale est d'obtenir une compréhension plus profonde des processus physiques et des mécanismes qui déterminent les propriétés des matériaux à partir d'investigations exclusivement théoriques de modèles abstraits. Nous espérons que cela permettra par la suite de tirer des conclusions sur les expériences, de donner des explications aux phénomènes observés ainsi que de donner des perspectives pour des investigations futures. / The present thesis deals with two-dimensional quantum Hall systems in which the electrons may be endowed with multiple discrete degrees of freedom. Quantum Hall ferromagnetism provides a framework to treat these electronic degrees of freedom as effective spins and isospins of the electrons. Different orderings of the electronic spins and isospins then characterise different possible phases of the system. Using this analogy, various aspects of the two-dimensional systems in the quantum Hall regime are explored theoretically by studying the corresponding spin and isospin structure. The work consists of three parts in which different two-dimensional materials are investigated in the quantum Hall regime. In any of the three projects presented within this thesis, Hartree Fock theory is employed to study the multicomponent spin and isospin system at the mean field level. All our considerations are stimulated directly by experimental results. We draw our main motivation from the key idea that purely theoretical investigations of abstract models may us allow to obtain deeper insights into the physical processes and mechanisms that determine the properties of the materials. This, in turn, we hope to allow conclusions about the experiments by providing possible explanations of the phenomena observed, as well as prospects for future investigations.

ThomX, un démonstrateur de source Compton compacte de rayons X d’énergie réglable entre 45 et 90 keV, est en construction sur le campus de l'Université Paris-Saclay à Orsay. La thèse s’inscrit dans le cadre de l’upgrade du linac de ThomX qui consiste à réaliser une section accélératrice compacte à fort gradient en bande S (3 GHz) pour porter les faisceaux de ThomX de 50 MeV à 70 MeV. Un accord de collaboration R&D est signé entre LAL et PMB-Alcen pour développer une structure accélératrice en cuivre (OFHC) compacte en bande S à fort gradient. Une étude électromagnétique, thermique et dynamique de faisceau a été effectuée au LAL pour proposer une géométrie optimale de la section accélératrice pour atteindre des gradients accélérateurs très élevés. PMB est en charge d’améliorer les processus de fabrication en commençant par la réalisation des prototypes pour valider les choix technologiques et ensuite fabriquer la section finale pour répondre aux spécifications demandées. Dans un premier temps une étude couplée électromagnétique-thermique-structurelle du canon HF a été effectuée en utilisant le Logiciel d'analyse des éléments finis 3D (ANSYS). Ensuite l’étude électromagnétique et l’optimisation de la géométrie des cellules accélératrices ainsi que la conception des coupleurs de puissance pour constituer les prototypes à impédance constante avec un certain nombre de cellules réduit et la section accélératrice compacte à gradient constant ont été effectuées en utilisant les logiciels CST MWS et HFSS. Puis une étude thermomécanique de la structure accélératrice a été réalisée avec ANSYS pour concevoir et optimiser le circuit de refroidissement pour extraire la chaleur générée par la puissance HF dissipée dans les parois de la structure et garantir une répartition uniforme de la température au long de la structure. Les simulations du vide ont été également réalisées avec le code Monte Carlo pour envisager la meilleure solution de pompage pour le prototype de cuivre et la section finale. En outre, les principales étapes suivies dans la fabrication du Canon HF au LAL et le prototype en aluminium à 7 cellules chez PMB-Alcen ont été présentées. Des tests HF bas niveau du prototype ont été effectués afin de valider la géométrie « processus d’usinage ». Compte tenu des résultats expérimentaux, des problèmes techniques et des contraintes technologiques ont été abordées et certaines solutions ont été proposées pour la fabrication des prototypes en cuivre et de la section finale. Les simulations de la dynamique des faisceaux du Linac de ThomX ont été effectuées en utilisant le code ASTRA. Le but est de réduire autant que possible la dispersion en énergie et l’emittance transverse du paquet d’électrons au point d’interaction avec les impulsions laser, pour préserver la pureté spectrale de rayons X produits. Un modèle aussi proche que possible des caractéristiques des composants réels, tels que le canon HF, la section accélératrice à onde progressive (OP) et les solénoïdes a été pris en compte dans les simulations. Des résultats importants ressortent de ces simulations concernant les paramètres du laser (taille et durée du spot), le champ magnétique maximal des solénoïdes pour la compensation de l'effet de charge espace, le déphasage entre l’onde RF et le laser et l'effet du champ électromagnétique sur la dynamique des électrons. Différentes options pour les paramètres de fonctionnement de la machine et une nouvelle configuration de la position des solénoïdes ont été proposées. L’optimisation des caractéristiques du paquet d’électrons a été obtenue en utilisant un algorithme génétique et les performances finales du faisceau d’électrons ont été mises en évidence. / The ThomX source should provide quasi-monochromatic high-quality X-rays (range 45-90 keV). The framework of the thesis is the electron beam linac energy upgrade from 50 MeV to 70 MeV necessary to achieve X-rays of 90 keV. For this purpose, the development of a compact high-gradient S-band electron accelerating structure is needed. It implies a research and development (R&D) activity at LAL in partnership with a French company (PMB-Alcen) in the High-Gradient (HG) technology of accelerating structures. The LAL-PMB-Alcen collaboration aims at the fabrication of a normal-conducting HG S-band structure by tackling the technological aspects that limit the achievement of high-gradient acceleration mostly due to vacuum RF breakdown and pulsed heating fatigue. Basically, the electromagnetic and thermal design of the HG S-band accelerating section has been performed at LAL. Meanwhile, PMB-Alcen was in charge to perform the fabrication, tuning and low power tests of prototypes and the final accelerating section. In this work, a fully coupled electromagnetic-thermal-structural finite element analysis on the THOMX RF gun has been performed with Ansys workbench. The HG accelerating section final regular cell dimensions and the power coupler design have been optimized. In particular, the electromagnetic simulation techniques and outcomes have been applied to constant impedance (CI) TW prototypes and also to a constant gradient (CG) final accelerating section. This allowed to verify the geometry choice, validate the fabrication procedure and check the fulfilment of the normal operating conditions. Moreover, a coupled thermo-mechanical study on a CI copper prototype has been performed. The water cooling system has been simulated to validate the capability to extract the heat generated by the dissipated power on the walls of the structure and guarantee a uniform temperature distribution along the section. Also, vacuum simulations have been performed on a 16-cells CI copper prototype and also on the final CG accelerating section. In addition, the main steps for the fabrication of the RF gun at LAL and a 7-cells aluminium prototype at PMB-Alcen have been presented. RF low power tests on the prototype have been performed in order to validate the 3D geometry design and the machining process. Taking into account the experimental results, mechanical problems and technological constraints have been tackled and some solutions have been proposed for the future copper prototype fabrication. Finally, beam dynamics simulations of the ThomX linac has been carried out by ASTRA code. The aim is to reduce as much as possible the energy spread and the transverse emittance to preserve the spectral purity of the produced X-rays, at the electron-photon interaction point. A model as close as possible to the characteristics of the real components, such as RF gun, TW section and solenoids has been considered. Important results came out from these simulations regarding laser parameters (spot size and duration), the maximum magnetic field of solenoids for high space charge effect compensation, dephasing between the RF and laser in the gun and effect of the travelling wave electromagnetic field on the particle dynamics. Different options for the parameter settings of machine operation and a new configuration of the solenoids position have been proposed. An optimization of the beam dynamics properties has been obtained by using a genetic algorithm and the ultimate performances of the electron beam have been highlighted.