Dans ce manuscrit nous présentons une expérience de mesure optique ultrasensible des vibrations mécaniques d'un micro-miroir dans une cavité Fabry-Perot de grande finesse. Le micro-miroir est constitué d'un résonateur de taille micrométrique en silicium, de fréquence de résonance de l'ordre du mégahertz, sur lequel est déposé un traitement optique de haute réflectivité. La sensibilité très élevée des mesures interférométriques est en principe suffisante pour observer les fluctuations quantiques de point zéro du résonateur. Pour atteindre le régime où l'énergie d'agitation thermique du micro-résonateur devient négligeable devant celle de l'état quantique fondamental, sa température doit être inférieure à 30 microKelvin. Afin d'approcher cette température, nous avons utilisé à la fois des méthodes cryogéniques traditionnelles et une technique de refroidissement laser basée sur les effets dynamiques de la pression de radiation dans une cavité désaccordée. Nous avons ainsi étudié la possibilité de combiner mesures optiques de haute sensibilité et cryogénie en plaçant le micro-résonateur et la cavité dans un cryostat à circulation d'hélium liquide. Nous avons mesuré le spectre de bruit thermique à température cryogénique et réalisé un refroidissement par pression de radiation du micro-résonateur. Nous avons également étudié un nouveau mécanisme de couplage optomécanique à trois modes, à bandes latérales résolues, plus efficace pour refroidir un micro-résonateur. Nous avons mis en évidence à la fois un effet de réduction et d'augmentation de la température effective du micro-miroir selon le couplage des modes optiques. Cette technique permet également d'étudier le phénomène des instabilités paramétriques pouvant apparaître dans les interféromètres gravitationnels de seconde génération.

Cette thèse présente le développement d'un simulateur de processus cryogéniques de grande taille appliqué aux installations cryogéniques de l'accélérateur de particules LHC (Large Hadron Collider) au CERN (Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire). Ce simulateur est basé sur une approche de modélisation orientée objet où chaque équipement (échangeur, turbine, compresseur, etc.) est représenté à partir d'un ensemble d'équations physiques algébro-différentielles. L'architecture de contrôle du CERN est également simulée en intégrant le contrôle réalisé par des automates programmables (PLC) avec le système de supervision. Ce simulateur à été développé pour servir différents desseins comme l'entraînement des opérateurs, la vérification des programmes automates (virtual commissioning) et l'optimisation des stratégies de contrôle. Le système cryogénique d'un détecteur de particules a d'abord été simulé pour valider les modèles, puis un liquéfacteur d'hélium a été modélisé pour réaliser un virtual commissioning. Les réfrigérateurs à hélium à 4,5 K du LHC ainsi que les unités de réfrigération à 1,8 K avec la ligne de distribution cryogénique du LHC ont également été modélisés et simulés. Le développement d'une nouvelle loi de commande basée sur un contrôle à modèle interne (IMC) en utilisant une commande robuste H infinie est présenté pour améliorer la régulation de la haute pression des réfrigérateurs à hélium du LHC. De plus, un système de pressions flottantes a été développé à partir du simulateur de manière à adapter automatiquement la puissance de réfrigération à la charge. Cette technique a pour principal objectif de réduire la puissance électrique des compresseurs.

Les nanocristaux semi-conducteurs colloïdaux présentent un phénomène de clignotement qui s'avère être un obstacle pour de nombreuses applications. Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à la suppression du phénomène de clignotement dans les nanocristaux constitués d'un coeur de CdSe et d'une coque épaisse de CdS. Nous avons mis au point un protocole facile à mettre en oeuvre, rapide et robuste, permettant de synthétiser des nanocristaux semi-conducteurs de CdSe/CdS à coque épaisse non-clignotants. L'étude de la dépendance en température des propriétés optiques de ces nanocristaux mesurés à l'échelle individuelle nous a permis de déterminer l'origine de la réduction du clignotement. Nous avons mis en évidence l'activation thermique de la recombinaison Auger non-radiative, cette dernière étant responsable du clignotement dans ces nanocristaux. Cette activation thermique est liée à la dépendence en température de la localisation de l'électron. A basse température, les nanocristaux sont chargés négativement et présentent d'excellentes propriétés optiques : un temps de vie radiatif inférieur à 10 ns et un rendement quantique de 100 %. Ces caractéristiques remarquables ont permis l'étude directe des propriétés magnéto-optiques des nanocristaux. Ces résultats ouvrent la voie à la conception de nanocristaux ayant un rendement quantique de 100 % à température ambiante.

La physico-chimie et l'évolution des différents milieux qui constituent le milieu interstellaire<br />dépendent étroitement de H2, son principal constituant moléculaire. En particulier,<br />la connaissance incomplète du bilan énergétique et de l'efficacité de la réaction de<br />formation d'hydrogène moléculaire par catalyse hétérogène sur les grains de poussière est<br />une source importante d'incertitude dans la description de la dynamique du milieu, notamment<br />lors de la formation d'étoiles. L'´etude de cette réaction et de ses sous-processus<br />(collage et diffusion sur les grains, désorption) est abordée théoriquement et expérimentalement<br />depuis plus de 40 ans.<br />Cette thèse vise par une approche expérimentale à caractériser la réaction de formation<br />d'hydrogène moléculaire à la surface des glaces d'eau. Elle s'articule autour du<br />dispositif FORMOLISM. Ultravide, cryogénie, jets atomiques, spectrométrie de masse<br />et spectroscopie UV sont réunis pour étudier en particulier les effets de l'hétérogénéité<br />et de la porosité de la surface. L'étude de la désorption de l'hydrogène moléculaire s'est<br />révélée indispensable à l'interprétation des expériences de formation. Nous avons mesuré les distributions d'énergies d'adsorption de H2, HD et D2. Ces mesures permettent<br />d'estimer la quantité d'hydrogène moléculaire en surface des grains interstellaires. La<br />présence d'hydrogène moléculaire modifie l'efficacité de la réaction. Un mécanisme de<br />ségrégation isotopique a été mis en évidence et son importance pour la deutération de<br />l'hydrogène moléculaire en surface des manteaux de glace a été étudiée. Les expériences<br />sur la formation révèlent que sur les glaces poreuses l'énergie dégagée par la réaction est<br />transmise à la surface par la rétention des molécules formées. La réaction reste efficace<br />à des températures plus élevées (20 K) que sur les glaces non poreuses (13 K). Sur ces<br />dernières, les molécules formées sont directement libérées en phase gazeuse où elles sont<br />détectées dans des états rovibrationnellement excités.

La force de Casimir, du nom du physicien qui prédit en 1948 l'existence de cette force attractive dans la configuration idéale de deux miroirs parfaits, plans et parallèles, est d'origine purement quantique. Elle résulte de l'existence des fluctuations quantiques de point zéro du champ électromagnétique et joue un rôle prépondérant dans le fonctionnement des nanosystèmes mécaniques en cours de développement et qui pourraient dans les années futures révolutionner l'industrie de la microélectronique. Pourtant, les effets correctifs liés à la conductivité des surfaces ou à l'empilement diélectrique des couches commencent seulement à être étudiés. L'objet du travail expérimental développé durant cette thèse a été la réalisation d'un appareil de mesure de forces faibles entre deux surfaces de tailles micrométriques en vue de l'étude de la force de Casimir. Nous avons adapté la technique mise au point au cours de la thèse de G. Jourdan à un environnement cryogénique afin d'atteindre les sensibilités en force requises pour l'étude de surfaces complexes. Ce manuscrit décrit ce nouvel appareil et ses performances. Nous avons ainsi étudié l'amortissement visqueux de notre sonde de force (un microlevier AFM avec une sphère collée à son extrêmité) engendré par le confinement du fluide environnant. A 4 K, nous avons mis en évidence des effets opto-mécaniques induits par le bruit laser. Enfin, nos premiers tests entre deux surfaces d'or de faible rugosité nous ont amenés à lutter contre une force parasite. Nous avons déterminé l'origine de cette force et réussi à la contrer. La force de Casimir entre une sphère en or et un échantillon de silicium a alors pu être mesurée.

Les nanocristaux de CdSe font l'objet d'applications émergentes dans les domaines de la nanoélectronique, des technologies laser ou du marquage fluorescent de biomolécules. Pour ces applications, la détermination de la structure fi…ne de l'exciton de bord de bande et des mécanismes de relaxation entre sous-niveaux est d'un intérêt majeur. Cette thèse a été consacrée à l'étude spectroscopique à basse température et sous champ magnétique de nanocristaux individuels de CdSe/ZnS. La remarquable photostabilité des nanocristaux étudiés a permis de caractériser les propriétés optiques des deux états excitoniques de plus basse énergie : l'état excitonique fondamental noir, et l'état excitonique brillant situé quelques meV plus haut en énergie. Ces études ont aussi permis d'identi…er un état excitonique chargé (trion) et de caractériser ses propriétés photophysiques. La possibilité de générer une cascade radiative biexciton-exciton a également été démontrée dans ces systèmes.

Spintronique moléculaire : de la vanne de spin à la détection d'un spin unique. Parmi les thématiques qui ont émergé ces dix dernières années, la spintronique moléculaire est intéressante de par son caractère hybride, à la croisée entre l'électronique de spin, l'électronique moléculaire et le magnétisme moléculaire. Dans ce nouveau domaine, on cherche à exploiter les propriétés magnétiques et quantiques des aimants moléculaires pour créer des dispositifs originaux, utiles en spintronique ou en information quantique. Mon projet de thèse s'inscrit dans cette perspective en voulant combiner un transistor à nanotube de carbone avec des aimants à molécule unique, en les couplant par des interactions supramoléculaires. L'objectif est d'observer le renversement magnétique d'une seule molécule par des mesures de transport électronique à travers le nanotube. En effet, le diamètre de ce dernier étant comparable aux dimensions d'un aimant moléculaire, le couplage devrait être suffisamment fort pour en permettre la détection. La réalisation d'un tel dispositif, un défi technique, et la question de savoir s'il était réellement possible de détecter et de caractériser le moment d'une seule molécule ont constitué les deux enjeux majeurs de cette thèse. Une grande partie du travail réalisé porte sur la fabrication du dispositif expérimental par des techniques de micro- et nano-fabrication, ainsi que sur l'optimisation du greffage des aimants moléculaires sur la surface du nanotube. Dans un second temps, nous nous intéressons à l'étude du système et à son comportement à très basse température (100 mK). En effet, la proximité des aimants moléculaires TbPc2 modifie de façon spectaculaire les propriétés de transport d'un nanotube. En particulier, nous présentons la réalisation d'un dispositif dont la réponse est analogue à une vanne de spin classique, où les molécules magnétiques jouent le rôle de polariseur ou d'analyseur de spin. Grâce à ce système, nous avons réussi à affiner nos connaissances sur TbPc2. Entre autres résultats, nous sommes parvenus à isoler et à caractériser le retournement du moment magnétique d'un seul ion de terbium. Enfin, la dernière partie de cette thèse est consacrée à l'étude de l'interaction hyperfine au sein du terbium. En réalisant un dispositif qui n'est couplé qu'à deux molécules, nous avons mis en évidence qu'il est possible de réaliser une lecture directe de l'état d'un spin nucléaire unique.

Les horloges à réseau optique montrent des performances impressionnantes et sont en train de soulever la question de la redéfinition de la seconde. Dans ces systèmes, un laser ultra-stable est utilisé en tant qu’oscillateur local pour sonder des transitions optiques très étroites d’atomes neutres piégés dans un réseau optique. La stabilité ultime de ces dispositifs, déterminée par le nombre d’atomes interrogés à chaque cycle et évaluée à quelques 10−17/sqrt(tau) (où tau est le temps d’intégration), n’est actuellement pas atteinte et est limitée à quelques 10−16/sqrt(tau) par les fluctuations de phase du laser sonde. Si l’amélioration des cavités ultra-stables sur lesquels sont stabilisés les lasers sonde est largement étudiée, le LNE-SYRTE a opté pour une approche plus récente, dans laquelle la référence de fréquence utilisée est un trou brûlé spectral creusé dans un cristal dopé terres rares refroidi à température cryogénique (environ 4 K). Une stabilité court terme de quelques 10−18 pourrait alors être atteinte. Cette thèse décrit la construction de l’expérience et montre ensuite les résultats d’une étude spectroscopique à haute résolution sur des trous brûlés spectraux étroits (FWHM = 3.3 kHz) creusés dans le cristal Eu3+ : Y2SiO5. L’influence du cryostat à cycle fermé sur la stabilité des trous brûlés spectraux est notamment mise en évidence et diminuée. Enfin, une méthode d’asservissement originale basée sur une détection hétérodyne d’un trou brûlé spectral et un asservissement numérique via un FPGA qui permet de verrouiller le laser sur le sommet du trou brûlé spectral étroit est décrit et montre une stabilité court terme de quelques 10−14, ce qui est un premier résultat encourageant pour la suite du projet. / Optical lattice clocks show impressive performances and are begining to raise the question of the redefinition of the SI second. In these systems, an ultra-stable laser is used as local oscillator to probe very narrow optical transitions of neutral atoms trapped in an optical lattice. The ultime stability of these systems, determined by the number of atoms interrogated at each clock cycle, evaluated at a few 10−17/sqrt(tau) (where tau is the integration time), is currently not reached and is limited to a few 10−16/sqrt(tau) by the phase fluctuations of the probe laser. If the enhancement of the ultra-stable cavities, on which are currently stabilized the probe lasers, is widely studied, LNE-SYRTE has adopted a more recent approach where the frequency reference is a spectral hole burned in rare earth doped crystal cooled down at cryogenic temperature (around 4 K). A short term stability of a few 10−18 could be achieved. This thesis describes the construction of the experiment and present the results of a high resolution spectroscopy of narrow spectral holes (FWHM = 3.3 kHz) burned in the crystal Eu3+ : Y2SiO5. The influence of the closed cycle cryostat on the behaviour of the spectral holes is hightlighted and reduced. Finally, an original locking scheme based on a heterodyne detection of a spectral hole and a numerical lock program using FPGA in order to stabilize the laser frequency on the top of the narrow spectral hole is described and shows a short term stability of a few 10−14, which is a first promising result for the future of the project.

Les nanocristaux de CdSe font l'objet d'applications émergentes dans les domaines de la nano-électronique, des technologies laser ou du marquage fluorescent de biomolécules. Pour ces applications, la détermination de la structure fine de l'exciton de bord de bande et des mécanismes de relaxation entre sous-niveaux est d'un intérêt majeur. Cette thèse a été consacrée à l'étude spectroscopique à basse température et sous champ magnétique de nanocristaux individuels de CdSe/ZnS. La remarquable photostabilité des nanocristaux étudiés a permis de caractériser les propriétés optiques des deux états excitoniques de plus basse énergie: l'état excitonique fondamental "noir", et l'état excitonique "brillant" situé quelques meV plus haut en énergie. Ces études ont aussi permis d'identifier un état excitonique chargé (trion) et de caractériser ses propriétés photophysiques. La possibilité de générer une cascade radiative biexciton-exciton a également été démontrée dans ces systèmes. / CdSe nanocrystals are attractive for many applications such as nanoscale electronics, laser technology, and biological fluorescent labelling. A detailed understanding of the band-edge exciton fine structure and the relaxations pathways between sub-levels are crucial for these applications. During this project we have studied the optical properties of single CdSe/ZnS nanocrystals at cryogenical temperature and under magnetic field. The dramatic photostability of the nanocrystals' emission has allowed the optical study of the two lowest exciton states: the "dark" excitonic state and the "bright" excitonic state, lying few meV above. These studies have also enabled us to identify a charged excitonic state (negative trion) and to characterize its photophysical properties. Besides we have demonstrated that in these nanocrystals, radiative cascade biexciton-exciton might be generated.

La microscopie de grille à balayage (SGM pour Scanning GateMicroscopy), développée à la fin des années 1990, est devenue un outilpuissant pour étudier les propriétés électroniques locales dans lesnano-dispositifs semi-conducteurs. La SGM est basée sur la techniqueAFM, mais la pointe métallique est utilisée comme une grille mobilecouplée capacitivement au dispositif, et les propriétés de transportélectronique sont étudiées sous l'influence de cette grille,fournissant des informations spatiales à haute résolution. Cette thèsedécrit d'abord le remplacement de la détection optique de notresystème AFM par une détection piézo-électrique utilisant un diapason àquartz, puis les résultats de mesures SGM sur divers nano-dispositifs,qui sont tous fabriqués à partir d'hétérostructures InGaAs / InAlAscontenant un gaz d'électrons bi-dimensionnel (2DEG) de grande mobilitésitué à quelques dizaines de nanomètres sous la surface. Sur unesimple constriction, nous étudions l'interaction pointe-échantillonavec deux approches: la force électrostatique et l'effet capacitif.Sur une boite quantique, nous étudions les phénomènes de blocage deCoulomb lorsque la pointe est utilisée comme une grille pour modulerla charge à l'intérieur de la boite. Dans un travail sur le paradoxede Braess, avec l'aide de simulations numériques, nous découvrons uneffet paradoxal en modulant la largeur du canal central dans undispositif mésoscopique en forme de double anneau, en analogie avec leparadoxe qui se produit dans un réseau classique. Par une étudedétaillée de l'évolution de la conductance, nous découvrons enfinplusieurs pièges de charge dans les images SGM, et proposons un modèlepour interpréter le changement de conductance en présence de pièges decharge. Nous développons alors une méthode pour imager directement lespièges de charge par des mesures de transconductance avec unemodulation de la tension sur la pointe. / Scanning gate microscopy (SGM), developed in the late 1990's, has become a powerful tool to investigate the local electronic properties in semiconductor nano devices. SGM is based on the AFM technique but the metallic tip is used as a movable gate capacitively coupled to the device, and the electron transport property is studied on influence of this gate, providing spatial information with high resolution. This thesis presents the update of the force detection mode of our AFM system from optical method to force sensing by a quartz tuning fork, and the SGM measurement results on various nano devices, all of which are fabricated from InGaAs/InAlAs heterostructures containing a high mobility 2DEG located a few tens of nanometers below the surface. On a 2DEG constriction, we investigate the tip-sample interaction with two approaches: the capacitive force and the gate effect. On a quantum dot, we study the Coulomb blockade phenomena where the tip is used as a gate to modulate the charging/discharging inside the dot. In a work on Braess paradox, with the help of numerical simulations, we discover a Braess paradox effect by modulating a channel width in a ‘double-ring' shaped mesoscopic device in analogy with the one that occurs in a classical network. By a detailed study of the conductance changes, we discover several charge traps from the SGM map, and propose a model to interpret the conductance change with the presence of charge traps. We develop a method to directly image the charge traps by transconductance measurements with a voltage modulation on the tip.