L'étude des systèmes non-linéaires ouvre un large champ d'investigation en recherche fondamentale, dans cette optique les Systèmes Nano-Electro-Mécanique (NEMS) sont des outils de premier choix. Ce manuscrit met en avant l'utilisation des propriétés non-linéaires de nano-résonateurs pour la physique fondamentale. À la suite d'une calibration rigoureuse de notre dispositif expérimental, nous avons caractérisé les principaux paramètres associés à la résonance de nos structures avec, en particulier, la non-linéarité de Duffing qui est à la source des mécanismes de couplage entre les différents modes de notre système. Une nouvelle procédure expérimentale utilisant une excitation à deux tons est présentée, émergeant du couplage entre modes mais en stimulant un seul mode résonant : un système de détection à haute précision de la résonance de la structure. Le régime de Duffing engendre également l'ouverture d'une hystérésis au sein de la courbe de résonance du NEMS, configuration qui est alors utilisée comme système modèle pour le phénomène de bifurcation. Nous démontrons, numériquement et expérimentalement, que le comportement non-linéaire et les lois de puissances universelles décrites par la théorie sont valides au-delà des prédictions attendues. Différentes techniques expérimentales sont finalement présentées, utilisant les NEMS afin de détecter des caractéristiques fondamentales de la matière condensée, comme les signatures des systèmes à deux niveaux présents au sein des nano-résonateurs ou les propriétés de glissement dans un gaz raréfié. / The investigation of non-linear dynamics intrinsically opens access to a broad field of researches, and Nano-Electro-Mechanical Systems (NEMS) are valuable tools for this purpose. In the present manuscript, we emphasize the fundamental applications of non-linear nano-resonators for condensed matter. After a careful calibration of our peculiar experimental set-up, we characterize the relevant parameters associated to the resonance of our devices, notably the Duffing non-linearity which is the essence of coupling mechanisms between distinct modes of the system. We present a new scheme emerging from the mode-coupling technique, using a two-tone drive but actuating a single flexural mode: a high precision detection procedure of the initial resonator's response. The Duffing regime also opens an hysteresis within the resonance line of the NEMS, and the device is then employed as a model system for the associated bifurcation process. We explored numerically and experimentally this physical phenomenon and found that both the non-linear behaviour and the universal power laws described in the general theory are still valid far beyond any analytical predictions. We finally describe different techniques using NEMS as sensors to measure fundamental features of condensed matter physics, like signatures of two level systems within the resonator's material or slippage in a rarefied gas.

Plusieurs missions sur satellite sont proposées pour résoudre un grand nombre de questions sans réponse concernant l'univers. Les instruments sur certaines de ces missions nécessitent des températures inférieures à 0,1 K pour fonctionner efficacement. Cette exigence signifie que la chaîne de refroidissement est un élément crucial de la conception du satellite. Les spécifications cryogéniques de ces futures missions sont plus exigeantes que l'état de l'art actuel : elle auront besoin d'une puissance frigorifique plus élevée à une température inférieure et avec à une durée de vie prolongée de 5 à 10 ans. Cela a motivé le développement d'un réfrigérateur à dilution 3He-4He en boucle fermée. Cette conception est basée sur le réfrigérateur à dilution à cycle ouvert utilisé sur le satellite Planck, dont la durée de vie et la puissance frigorifique ont été limitées par la quantité d'3He et d'4He à bords, le mélange étant éjecté dans l'espace après le processus de dilution . Pour surmonter ces limitations, le cycle a été fermé par la séparation des isotopes de l'hélium à basse température avant de les réinjecter dans le réfrigérateur . Cette thèse décrit les progrès réalisés dans le développement et dans la compréhension de ce nouveau système, et montre que les exigences de refroidissement (1 µW à 50 mK) peuvent être satisfaites dans les conditions requises. Ce travail tente également de résoudre un problème lié à la micro-gravité : la séparation de phase liquide-vapeur dans le bouilleur. Nos résultats expérimentaux montrent que le confinement du liquide dans le bouilleur dans les conditions requises et en gravité négative est possible. Ces résultats ont guidé la conception d'un nouveau bouilleur non-sensible à la gravité, dernière étape du développement d'un réfrigérateur à dilution en boucle fermée adapté à la micro-gravité. / Several satellite missions are being proposed to resolve many of the unanswered questions regarding the universe. Instruments on some of these missions will require temperatures below 0.1 K to operate effectively. This requirement means that the cooling chain is a crucial element of the satellite's design. The cryogenic specifications of these future missions are more demanding than the current state of the art: they will require a higher cooling power at a lower temperature for an extended lifetime of 5-10 years. This has motivated the development of a closed-cycle 3He-4He dilution refrigerator. This design is based on the open-cycle dilution refrigerator used on the Planck satellite, whose lifetime and cooling power were limited by the on-board supply of 3He and 4He, since the mixture was ejected into space after the dilution process. To overcome these limitations, the cycle has been closed by separating the helium isotopes at low temperatures before re-injecting them into the refrigerator. This thesis describes the progress in the development and in the comprehension of this new system and shows that the cooling requirements (1 µW at 50 mK) can be met under the required conditions. This work also attempts to solve a problem related to a micro-gravity environment: the vapor-liquid phase separation in the still. Our experimental results show that liquid confinement in the still under the required conditions and negative-gravity is possible. These results have driven the design of a novel gravity-insensitive still, the last step in developing a closed-cycle dilution refrigerator adapted to zero-gravity.

L'intérêt porté au domaine Terahertz (THz) ayant beau être en pleine expansion depuis les années 1990, un gros effort de recherche doit encore être effectué pour tirer la quintessence des applications actuelles ou potentielles que représente cette gamme du spectre électromagnétique dans des domaines aussi variés que la spectroscopie, la cosmologie, l'imagerie médicale, la sécurité ou les télécommunications. En effet les sources, les détecteurs mais également les outils qui permettent d'amplifier ou de moduler un signal – dispositifs très présents dans les régions voisines du spectre électromagnétique que sont l'infrarouge et les micro-ondes - sont encore particulièrement limités par des facteurs tels que la compacité, la température de fonctionnement, l'intégrabilité mais également la puissance, la sensibilité ou encore le coût.Cette thèse porte sur l'étude expérimentale de divers composants en nitrure de gallium (GaN) contenant un puits quantique avec pour objectif de déterminer leurs capacités d'émission, d'amplification ou de détection d'une radiation THz.Pour ce faire, trois différents dispositifs expérimentaux ont été utilisés, améliorés ou même créés dans le but de pouvoir faire varier des paramètres tels que la polarisation électrique, leur température de fonctionnement, les fréquences THz sondées et bien sûr les différentes géométries des échantillons.De plus amples détails sur le monde des THz, sur les dispositifs électroniques GaN utilisés ainsi que sur les montages expérimentaux mis en places sont développés dans ce manuscrit de thèse. Les principaux résultats expérimentaux obtenus montrent :- une émission vers 3 THz avec une fréquence accordable en fonction du champ électrique appliqué au puits quantique GaN,- un coefficient de transmission variable en fonction de la tension appliquée aux contacts en doigts interdigités de différentes structures GaN,- la détection hétérodyne de radiations avec une fréquence RF de 0,3 THz et IF pouvant monter jusqu'à 40 GHz. De plus, chaque type de résultats expérimentaux a été expliqué théoriquement à l'aide de modèles analytiques développés en collaboration avec des équipes internationales au cours de ces trois dernières années. / Even if the interest upon the Terahertz (THz) domain is increasing since the 1990s, a strong research effort still needs to be done to get the most of the current and potential applications that this area of the electromagnetic spectrum has to offer in the various domains of spectroscopy, cosmology, medical imaging, security and telecommunications. Indeed, sources, detectors and even the tools that permits to amplify or modulate a signal – these devices are well developed in the neighboring regions of infrared and microwaves – are still particularly limited by characteristics like compactness, operating temperature, integrability but also power, sensitivity or cost.This thesis focuses on the experimental study of different gallium nitride (GaN) devices containing a quantum well. The main objective was to determine their capacities in emission, amplification or detection of a THz radiation.To do so, three different experimental setups where used, improved or even created in order to be able to change parameters like the electric bias, their working temperature, the probed THz frequencies and of course the different geometries of the samples.More details about the THz domain, the studied GaN electronic devices and the used experimental setups are developed in this PhD thesis.The main obtained experimental results show:- an emission of radiation near 3 THz with a tunable frequency versus electric field applied to the GaN quantum well,- a transmission coefficient variable as a function of the voltage applied to the contacts of different GaN interdigitated fingers structures,- heterodyne detection of radiation with a RF frequency of 0.3 THz and an IF that can reach up 40 GHz.In addition, each type of experimental results has been investigated theoretically using analytical models developed in collaboration with international teams during the past three years.

Ce manuscrit de thèse s'intéresse à la modélisation et au contrôle des réfrigérateurs cryogéniques. Le cas particulier des réfrigérateurs soumis à de fortes variations de charges thermiques est étudié. Un modèle de chaque objet pouvant se trouver dans un réfrigérateur est proposé. La méthodologie d'assemblage pour obtenir le modèle des sous-systèmes qui composent le réfrigérateur est présenté, accompagnée de la méthode permettant d'obtenir une approximation linéaire des modèles des sous-systèmes. Grâce aux modèles développées, des lois de commande avancées sont synthétisées. Un contrôleur linéaire quadratique pour les stations de compression à deux ou trois niveaux de pression est proposé, ainsi qu'un contrôleur prédictif sous contrainte pour la boite froide. La particularité de ces stratégies de contrôle est qu'elles sont compatibles avec un automate programmable industriel (API) , doté d'une capacité de calcul et de stockage de donnée réduite. La capacité de prédiction en boucle ouverte du modèle développé est validé au regard de données expérimentales et les stratégies de contrôle sont validés en simulation et expérimentalement sur la station d'essais 400W@1.8K du SBT et sur la station de compression du LHC, au CERN. / This manuscript is concern with both the modeling and the derivation of control schemes for large cryogenic refrigerators. The particular case of those which are submitted to highly variable pulsed heat load is studied. A model of each objet that normally compose a large cryorefrigerator is proposed. The methodology to gather objects model into the model of a subsystem is presented. The manuscript also shows how to obtain a linear equivalent model of the subsystem. Based on the derived models, advances control scheme are proposed. Precisely, a linear quadratic controller for warm compression station working with both two and three pressures state is derived, and a predictive constrained one for the cold-box is obtained. The particularity of those control schemes is that they fit the computing and data storage capabilities of Programmable Logic Controllers (PLC) with are well used in industry. The open loop model prediction capability is assessed using experimental data. Developed control schemes are validated in simulation and experimentally on the 400W@1.8K SBT's cryogenic test facility and on the CERN's LHC warm compression station.

Le but de cette thèse est d'atteindre l'état de mouvement fondamental sur des disques optomécaniques en arseniure de gallium. La mécanique quantique prévoit en effet que la quantité d'énergie d'un système physique (mécanique ou autre) ne peut jamais être réduite totalement à zéro. Il existe cependant un état de plus basse énergie, que l'on appelle l'état fondamental. L'effet physique utilisé pendant cette thèse pour extraire de l'énergie du système (et ainsi atteindre l'état fondamental) est le couplage opto-mécanique. Les micro-disques supportent des résonances optiques à symétrie axiale appelées modes de galerie ainsi que des résonances mécaniques appelées modes de respiration. Le couplage entre ces deux modes peut être intuitivement compris comme suit: lorsque le disque "respire" mécaniquement, la circonférence du disque ressentie par le mode optique change, ce qui induit un décalage de sa longueur d'onde de résonance. A l'inverse, le mode optique exerce une pression de radiation sur les parois du disque, qui peut amplifier ou atténuer le mouvement mécanique. Le refroidissement opto-mécanique est d'autant plus efficace que les résonances (optique comme mécanique) ont de faibles taux de dissipation. Une grande partie de ce travail de thèse à donc été dédiée à la réduction de ces pertes. Des efforts technologiques ont permis d'obtenir des structures lisses et régulières, pour éviter la diffusion (et donc la dissipation) de lumière par rugosités. Afin de réduire la dissipation mécanique, une structure novatrice incluant des boucliers mécaniques à été développée, et à permis de réduire la dissipation mécanique d'un facteur 100. L'état du système après refroidissement opto-mécanique dépend par ailleurs de sa température initiale. Il est donc avantageux de placer l'échantillon dans un cryostat. L'appareil utilisé au cours de cette thèse permet de refroidir l'échantillon jusqu'à une température de 2,6 K. Les expériences de photonique en environnement cryogénique imposant des contraintes en terme de stabilité, il a été nécessaire de d'opter pour une approche avec guide d'onde intégré. Le développement de guides d'ondes entièrement suspendus a permis d'apporter et de collecter la lumière depuis le disque de manière optimale. Toutes ces efforts ont permis de descendre à un taux d'occupation mécanique de 30 quanta. Cependant de nombreuses améliorations peuvent encore être implémentées, afin d'ancrer ces résonateurs fermement dans l'état fondamental, ce qui permettrait d'effectuer par exemple des expériences d'intrication quantique / The main goal of this PhD work has been to reach the quantum ground state on gallium arsenide optomechanical disks. Quantum mechanics predict that the amount of energy within a given system cannot be brought to zero. Nevertheless a state of minimal energy exists, called the ground state. The physical mechanism used to extract energy from the system (and thus reach the ground state) is the optomechanical coupling. The miniature disks support optical and mechanical resonances, respectively called whispering gallery modes and radial breathing modes. The coupling between these two modes can be intuited as follows: when the disk breathes mechanically, its perimeter increases. The optical mode evolves now in a wider cavity, and its resonance wavelength therefore changes. Conversely, the optical mode exerts radiation pressure on the disk boundaries, which can either amplify or damp the mechanical motion. Optomechanical cooling is more efficient if the dissipation rates of the optical and mechanical resonances are low. An important part of this PhD work has therefore been dedicated to the reduction of dissipation. Technological efforts have been made to fabricate smooth and regular structures, so as to limit optical scattering. A novel approach consisting of a mechanical shield has allowed to reduce mechanical damping by a factor of 100. The system state after optomechanical cooling depends on its initial temperature. It is therefore advantageous to place the system in cryogenic environment prior to starting the optomechanical cooling. The apparatus used throughout this PhD work can cool the optomechanical device down to 2.6 K. As optical experiments in cryogenic environment require a good mechanical stability, it is necessary to opt for fully integrated devices where the optomechanical resonator and the waveguide bringing the light to it are processed on the same chip. The development of fully suspended waveguides has moreover allowed to inject and collect light from the device more efficiently. All these improvements have allowed to reach a state of 30 excitation quanta in the mechanical resonator. However many ideas can still be tried to keep enhancing the devices, so as to anchor them more firmly in the ground state. This would open the way to more advanced experiments, such as entanglement of mechanical oscillators

Un nouveau concept d'onduleur courte période et fort champ a été proposé par Toru Hara à SPring-8 en 2004 : l'onduleur cryogénique à aimants permanents (CPMU). Il s'agit de refroidir des aimants Néodyme-Fer-Bore autour de 150 K. Cela permet d'utiliser ces aimants qui ont une rémanence jusqu'à 40% supérieure à celle des aimants utilisés conventionnellement dans les onduleurs. Pour évaluer les difficultés technologiques et la faisabilité de tels onduleurs, un CPMU de 2 m de long et de 18 mm de période a été lancé à l'ESRF. Ce travail présente le design et la réalisation du CPMU à l'ESRF. Un modèle magnétostatique du CPMU est présenté, il est basé sur des mesures de courbe d'aimantation à température cryogénique réalisées au laboratoire Louis Néel. Le modèle prévoit une augmentation du champ crête de l'onduleur de 8% autour de 150 K et de l'intégrale de champ de 20 Gcm. Un banc de mesure magnétique spécifique a également été développé à l'ESRF. Ce banc permet la mesure du champ local et des intégrales de champ sous vide. Son design et sa construction sont revus. Finalement les mesures magnétiques réalisées à température ambiante et à température cryogénique sont présentées. Ces mesures valident le modèle magnétostatique et les performances attendues.

Dans le cadre de la libéralisation du marché de l'énergie électrique, les réseaux DC offrent de nombreux avantages par rapport aux réseaux alternatifs, mais leurs protections nécessitent l'utilisation de nouveaux appareils. Les limiteurs supraconducteurs de courant permettent, par le dépassement d'un courant critique, de limiter le courant de défaut à une valeur prédéfinie, inférieure à la valeur théorique du court-circuit. Les conducteurs déposés offrent d'excellentes perspectives pour ces applications. Nous avons ainsi travaillé sur la mise en oeuvre de ces matériaux et réalisé un banc de mesures. Des essais en limitation de courant ont été réalisés afin d'étudier l'homogénéité des transitions pour différents paramètres de court-circuit. Un point important est la mesure de température par des sondes déposées directement sur le ruban, donnant des résultats conformes aux modèles théoriques. Nos essais ont confirmé l'amélioration des transitions pour les fonctionnements proches de la température critique. Nos résultats permettent de mieux comprendre les mécanismes de la limitation de courant par des conducteurs déposés.

Les pulses tubes sont des cryoréfrigérateurs similaires aux machines Stirling mais sans pièce mobile à froid, ce qui diminue les vibrations et augmente leur fiabilité. Toutes ces caractéristiques sont les bienvenues pour les applications spatiales, un domaine où le poids et la taille de la machine sont critiques. C'est dans ce cadre qui s'insère la recherche sur la miniaturisation des pulses tubes ; pour le réussir, on peut diminuer le volume déplacé pendant un cycle de la machine, en augmentant simultanément la fréquence d'opération. Pour savoir quels sont les limitations à l'augmentation de fréquence, des simulations sur le comportement du régénérateur et l'inertance à très hautes fréquences ont été faits; une étude expérimentale sur les pertes thermiques dans le tube a été aussi élaborée; et, finalement, des prototypes de pulse tube ont été dimensionnés et caractérisés, l'un desquels satisfait les spécifications initialement données : 0.25 W à 120 K avec 20 W puissance mécanique, à 100 Hz.

Pour répondre aux questions que l'on se pose actuellement sur l'univers plusieurs missions satellites sont en cours d'études. Un des pré requis de ces missions est de pouvoir refroidir les détecteurs ultra-sensibles à très basses températures T < 0.1 K. Pour refroidir les détecteurs à cette température un réfrigérateur à dilution 3He-4He en cycle ouvert a été mis au point pour le satellite PLANCK. Ce système consiste à diluer de l'3He dans de l'4He, ce processus absorbe de la chaleur. Le cycle est dit ouvert car le mélange est ensuite rejeté dans l'espace. La durée de vie, la puissance frigorifique et la température du point froid sont alors limitées par la quantité d'hélium embarquée sur le satellite. La durée de vie des futures missions satellites, supérieur à 5 ans, impose que le réfrigérateur s'affranchisse de ces contraintes de stockage de l'hélium. Dans cette thèse, nous avons travaillé sur un système de séparation des isotopes de l'hélium compatible avec les contraintes d'un satellite. Le réfrigérateur à dilution est alors en cycle fermé. Le point important de cette séparation est d'obtenir en sortie des composés assez pur pour que le processus de dilution fonctionne correctement. Nous décrivons comment l'3He est extrait du mélange par évaporation et l'4He par effet fontaine. Un prototype du réfrigérateur en cycle fermé a été construit. Les expériences menées sur ce prototype ont eu pour but de valider le concept de séparation d'isotopes, de définir les spécifications et d'améliorer les performances du réfrigérateur. La mesure de puissance frigorifique disponible au point froid satisfait les spécifications des futures missions satellites. Les expériences ont aussi montré les interactions entre les différentes parties du système: échangeur de chaleur, bouilleur, pompe à pression fontaine et les contraintes que cela impose à l'étage de pré refroidissement.

Ces travaux de thèse concernent l'étude de systèmes laser dopés à l'ion ytterbium pour la génération d'impulsions de forte énergie et de haute puissance moyenne, dans la perspective d'un laser permettant d'envisager la production d'énergie par fusion par confinement inertiel. En ce qui concerne le choix d'une matrice hôte, nous avons établi une figure de mérite thermomécanique et montré que les grenats et surtout les sesquioxydes de terres rares apparaissent comme les matrices les plus adaptées à la haute puissance moyenne. Quant à l'architecture des amplificateurs, nous sommes arrivés à la conclusion que des amplificateurs à disques minces pompés longitudinalement et refroidis par la face arrière constituent une excellente solution pour permettre une bonne gestion des effets thermiques. La réalisation d'un modèle numérique d'amplificateur laser dopé à l'ytterbium nous à permis d'optimiser divers paramètres de l'architecture du laser et de comparer différentes matrices dopées à l'ytterbium. Il est alors apparu que les sesquioxydes de de terres rares dopés à l'ion ytterbium constituent d'excellents matériaux amplificateurs pour la réalisation de laser de haute puissance moyenne. Il a par ailleurs été montré que les basses températures constituent une solution séduisante pour améliorer à la fois les propriétés thermomécaniques des amplificateurs laser et les propriétés spectroscopiques de l'ion ytterbium. A l'aide d'une cavité laser cryogénique, en mode relaxé, nous avons vérifié expérimentalement que les performances énergétiques des sesquioxydes d! e terres rares dopés à l'ytterbium se voient améliorées de manière très significative aux basses températures.