La découverte du graphène en 2004 constitue une double avancée en physique de la matière condensée. D'une part, ses propriétés électroniques sont celles d’un gaz de fermions de Dirac sans masse. D'autre part, sa structure fournit le tout premier exemple d’un matériau ordonné à deux dimensions.Cette seconde caractéristique est étudiée dans cette thèse par microscopie à effet tunnel (STM), dans le cas du graphène synthétisé en ultra-haut vide sur la face (0001) du rhénium. A deux dimensions, l’ordre cristallin est en effet impossible, et il est prédit qu’un quasi-ordre à longue distance s’y substitue, où la phase du paramètre d’ordre fluctue. Le substrat de rhénium intervient alors comme une influence extérieure qui peut restaurer l’ordre cristallin, en forçant la structure du graphène à épouser une relation d’épitaxie avec le rhénium.L’étude proposée de la structure du graphène démontre qu’elle est en fait tributaire de contraintes cinétiques héritées de sa croissance. Plusieurs nanostructures caractéristiques ont ainsi été identifiées à l’échelle atomique, permettant de remonter au mécanisme de croissance. Deux chemins réactionnels y entrent ainsi en compétition. Le premier aboutit à une famille d’agrégats de carbone métastables, de structures bien définies, en épitaxie sur le rhénium. Le second mène à la croissance d’îlots de graphène qui s’étendent sur quelques nanomètres. La coalescence de ces îlots et l’incorporation des agrégats en leur sein conduit à des défauts structurels dont la structure atomique est détaillée pour la première fois. Cette étude exhaustive révèle la diversité des chemins réactionnels lors de la croissance de graphène sur rhénium, qui sont autant de compromis entre cinétique et thermodynamique.Au terme de cette croissance, le graphène obtenu n’est pas uniforme, mais constitué de domaines s'étendant sur des distances de l'ordre de 10 nm. Chaque domaine présente une relation d'épitaxie entre le graphène et le rhénium qui lui est propre, où le graphène s'avère à la fois tourné et cisaillé par rapport à son substrat, comme le montre une méthode d’analyse d’images STM développée à cet effet. L’élaboration d’une classification universelle de ces relations d'épitaxie montre leur grande diversité. Deux interprétations se confrontent alors. Les parois entre domaines de graphène peuvent en effet être interprétées comme des défauts topologiques dans l’ordre cristallin imposé au graphène par le substrat de rhénium. Alternativement, ce sont des modes de fluctuations dont la dynamique est gelée par l’interaction avec le substrat. Ces résultats remettent donc en question la notion d’ordre cristallin imposé par son substrat à un matériau bidimensionnel. Ils montrent qu’au lieu de forcer une relation d'épitaxie particulière, l’interaction du graphène avec son substrat donne lieu à une phase dite chaotique. / The discovery of graphene in 2004 is a two-fold breakthrough in condensed matter physics. On the one hand, its electronic properties are that of a massless Dirac fermion gas. On the other hand, its structure is the very first example of an ordered material in two dimensions.This second characteristics is studied in this thesis by scanning tunneling microscopy (STM), in the case of graphene grown in ultra-high vacuum on the (0001) surface of rhenium. In two dimensions, crystalline order is indeed impossible, and it is predicted to be replaced by a quasi-long-range order, for which the phase of the order parameter fluctuates. The rhenium substrate then acts as an outside influence that can restore crystalline order, as it forces graphene's structure to adopt an epitaxial relation with rhenium.The study of graphene's structure proposed here proves it actually originates from kinetic constraints inherited from its growth. Many typical nanostructures have indeed been identified at the atomic scale, giving access to the growth mechanism. Two reaction pathways compete. The first one gives rise to a family of metastable carbon clusters with well-defined structures in epitaxy on rhenium. The second one leads to growing graphene islands of a few nanometers in size. The coalescence of these islands and the incorporation of the carbon clusters ends up forming structural defects whose atomic structure is detailed for the first time. This exhaustive study reveals reaction pathways in the growth of graphene on rhenium are diverse, and constitute compromises between kinetics and thermodynamics.At the end of that growth, the obtained graphene is not uniform, but made of roughly 10 nm-large domains. Each domain displays a specific epitaxial relation with rhenium, in which graphene is both twisted and sheared with respect to rhenium, as revealed a STM image analysis method developed for this purpose. Elaborating a universal classification of such epitaxial relations shows they are very diverse. Two interpretations of this morphology are possible. The graphene domain walls can indeed be interpreted as topological defects in the crystalline order set in graphene by the rhenium substrate. Otherwise, they are fluctuation modes whose dynamics is frozen by the interaction with the substrate. These results put into question the notion of crystalline order set by a substrate to a two-dimensional material. They show that instead of forcing a specific epitaxial relationship, the graphene-substrate interaction gives rise to a so-called chaotic phase.

Dans cette thèse, notre étude porte sur les défauts topologiques en cosmologie et en physique de la matière condensée. Nous proposons d’étudier l’analogie entre les défauts qui apparaissent dans ces domaines. Par exemple, nous discutons l’analogie entre les cordes cosmiques et les disinclinaisons présentes dans les cristaux liquides. Cependant, nous concentrons nos efforts sur l’étude de la gravité et des aspects géométriques des défauts linéaires; cordes cosmiques «ondulées» et les disinclinaisons hyperboliques. Le champ gravitationnel des cordes ondulées est analogue à celui des cordes régulières mais avec un potentiel newtonien non nul. Pour cette raison, outre le fait que l’espace-temps a une géométrie conique, les cordes produisent également une traction gravitationnelle sur les objets situés dans leur voisinage. Ceci a pour conséquence: l’apparition de nouveaux effets en plus de la lentille gravitationnelle. En réalité, nous constatons que les champs massiques et non-massiques sont confinés au voisinage de la corde quand nous examinons la propagation non perpendiculaire à son axe. Cette affirmation est basée sur l’analyse des trajectoires et l’application du formalisme ondulatoire. Enfin, nous proposons la conception d’un guide d’onde optique ayant l’indice de réfraction spécifique permettant de simuler l’effet des cordes ondulées en laboratoire. Bien que la disinclinaison hyperbolique soit très similaire à la disinclinaison ordinaire, le milieu résultant est un métamatériau anisotrope dans lequel le rapport entre les permittivités ordinaire et extraordinaire est négatif. En fait, notre analyse concernant la disinclinaison hyperbolique étant très proche de la précédente pour la corde ondulée, nous appliquons alors le formalisme ondulatoire avec des traitements d’optique géométrique pour comprendre la propagation de la lumière. Nous trouvons que pour un agencement spécifique du champ directeur du cristal liquide hyperbolique, la lumière est confinée et dirigée vers l’axe du métamatériau. Plus précisément, on obtient un dispositif optique qui concentre les rayons de lumière, quelles que soient les conditions d’injection / In this thesis, we study topological defects in cosmology and condensed matter physics. We propose to investigate the analogy between defects that appear in these two realms with respect to aspects of formation and gravity. For instance, we discuss the analogy between cosmic strings and disclinations existing in liquid crystals. In particular, we concentrate our efforts on the study of gravity/geometric aspects of two linear defects: wiggly cosmic string and hyperbolic disclination. The gravitational field of wiggly strings is analogous to the one of regular strings, but with a non-vanishing Newtonian potential. For that reason, besides the spacetime has conical geometry, the string also produces gravitational pullings on objects located in its vicinity. This new fact leads to new effects in addition to the already expected gravitational lensing. In fact, we find that both massive and massless fields are confined to the string when we examine non-perpendicular propagation to the string axis. This statement is based on the analysis of trajectories and by applying the wave formalism. Finally, we propose the design of an optical waveguide having the specific refractive index likely to simulate the effects of wiggly strings in the laboratory. Even though the hyperbolic disclination is very similar to the ordinary one, the resulting medium is an anisotropic metamaterial, in which the ratio between ordinary and extraordinary permittivities is negative. In fact, as our analysis concerning the hyperbolic medium is very close to the previous one for the wiggly string, we also apply the wave formalism together with geometrical optics treatment to understand how light propagates. Interestingly, we find that for one specific director field arrangement of the hyperbolic liquid crystal metamaterial, light is confined and directed to the metamaterial axis. More specifically, we come into possession of an optical device that concentrates light rays, no matter how they are injected in it

Ce travail de thèse concerne l'auto-structuration de particules magnétiques dans une matrice cristal liquide nématique (CLN). Par l'élaboration de matériaux nouveaux combinant propriétés magnétiques et structurations des particules, cette étude s'inscrit dans le domaine, en plein essor, de la recherche de matériaux adaptatifs. P. Poulin, le premier, a mis en évidence de nouvelles interactions colloïdales induites par l'élasticité d'un fluide nématique suspendant. L'obtention d'une structuration contrôlée des particules microniques via la matrice nématique passe par un contrôle précis de l'ancrage des molécules de CLN sur la surface des particules de fer. Ainsi, après une caractérisation approfondie de l'état de surface du fer, de nombreux traitements capable d'engendrer un ancrage homéotrope des nématogènes en contact avec la surface ont été réalisés sur des plaques servant de système modèle. Deux approches ont été explorées, l'une consiste en une modification de l'état de surface du fer, l'autre, beaucoup plus prometteuse, consiste en une modification de la surface par dépôt de molécules amphiphiles. Ces traitements transposées aux particules de fer avec succès, ont permis d'obtenir l'ancrage homéotrope fort indispensable à l'obtention des défauts topologiques induisant l'auto-alignement des particules. La réponse magnétique des particules de fer soumises à un champ, observée en microscopie optique, a permis de calculer précisément, grâce à un logiciel de calcul de force magnétique par éléments finis, les contributions attractives et répulsives de la force induite par les distorsions du CLN entre les particules et ainsi, de construire le profil complet de cette force.

Cette thèse porte sur l'étude de divers modèles d'univers primordial et leur observabilité dans les anisotropies du rayonnement fossile. Dans la première partie sont exposées les équations d'évolution des perturbations cosmologiques. On y fait un rappel de la physique du rayonnement fossile, et l'influence des différents paramètres cosmologiques y est présentée. Les trois parties suivantes s'intéressent à différents scénarios d'univers primordial. La deuxième partie porte sur les scénarios à base de sources actives, dont font partie les défauts topologiques. Les différences majeures avec les scénarios inflationnaires y sont exposées. On y détaille notamment l'importance des effets non linéaires dans l'évolution des sources et de leurs interactions non gravitationnelles avec le reste de l'univers. La troisième partie porte sur les scénarios inflationnaires, et discute les hypothèses habituellement faites à propos de l'état des perturbations en fin d'inflation. L'accent est mis sur l'importance de la modélisation de ces conditions initiales pour pouvoir extraire des informations précises sur les paramètres cosmologiques à partir des observations des anisotropies du rayonnement fossile. Enfin, la quatrième partie traite des scénarios de quintessence, et notamment de l'influence de ce champ scalaire sur la dynamique des perturbations cosmologiques. Il est montré que ces modèles font des prédictions assez différentes des scénarios avec constante cosmologique.

Nous présentons des résultats expérimentaux et théoriques sur les cristaux liquides en géométrie courbe. Nous étudions des coques de cristal liquide cholestérique dont la géométrie sphérique impose la présence de défauts topologiques. Ceci en fait un terrain de jeu idéal pour étudier la nature de ces singularités et leurs interactions. Nous observons un total de cinq configurations de défauts différentes, un atout remarquable dans le contexte d’auto-assemblage dans lequel ce projet s’inscrit. Les efforts combinés d’expériences et de simulations numériques nous permettent de décrire avec précision la structure des défauts. La complexité qui caractérise ces nouvelles structures est inhérente à la nature cholestérique de ces mésophases frustrées. Nous montrons qu’il est possible d’induire des transitions entre les différentes configurations, et examinons la dynamique qui y est associée. Nous établissons un modèle théorique qui rend compte de la position des défauts dans les différentes configurations. Nous discutons de l’équilibre subtil entre les interactions élastiques répulsives et le gradient d’épaisseur attractif qui résulte de la nature non-concentrique des coques. En outre, la confrontation du modèle aux expériences nous permet d’estimer les énergies associées aux nouvelles structures de défauts observées. Enfin, nous abordons les géométries toroïdales, et montrons que des transformations de formes peuvent nous permettre d’étudier la genèse et l’annihilation de défauts topologiques. / We present experimental and theoretical results on liquid crystals confined to curved geometries. We study cholesteric liquid crystal shells, the geometry of which imposes the presence of topological defects. This system constitutes an ideal playground to study the nature of these singularities and their interactions. We report a total of five different defect configurations, a remarkable feature in the context of self-assembly in which this work is set. Combining experiments and numerical simulations, we are able to accurately describe the inner structure of all observed defects. The complexity of these new structures is related to the cholesteric nature of the liquid crystal. We show that it is possible to induce transitions between the different configurations, and investigate the associated dynamics. We establish a theoretical model that successfully predicts the equilibrium defect positions in all configurations, and discuss the subtle balance between repulsive elastic interactions and attractive thickness gradients, arising from the eccentricity of the shells. Confronting the model to the experimental data, we are able to estimate the energies of nontrivial defect structures. Finally, we investigate toroidal geometries, and show how shape transformations can be interesting to study the genesis and annihilation of topological defects.

La première partie, introductive, passe en revue la description habituelle des transitions de phase induites par la prolifération de défauts topologiques en dimension deux. En particulier les techniques de gaz de Coulomb sont introduites dans l'étude de la transition de KosterlitzThouless et de la transition continue de fusion bidimensionnelle. La seconde partie aborde le problème de l'interaction de ces défauts avec un désordre, soit dans la structure du système élastique (superfluide, cristal bidimensionnel), soit provenant d'un substrat. La situation d'un réseau de lignes de flux (vortex) dans un supraconducteur, réparties sous forme de plans parallèles les uns aux autres, est étudiée en présence de désordre de substrat. Des techniques de renormalisation et une méthode variationnelle avec répliques permettent de mettre en évidence l'apparition d'une nouvelle transition induite par le désordre, entre une phase quasi-ordonnée (verre de Bragg) et une phase amorphe dans laquelle des dislocations planaires sont générées. L'effet d'un désordre de substrat sur les dislocations bidimensionnelles est ensuite étudié par le groupe de renormalisation. Les dislocations sont induites par ce désordre à basse température et la transition de fusion est dans ce cas remplacée par un cross-over dont les implications expérimentales sont discutées. Finalement l'étude du gel par le désordre de ces dislocations à basse température nécessite l'élaboration d'une nouvelle méthode de renormalisation fonctionnelle en dimension deux. Celle-ci permet, en décrivant le comportement d'échelle de la densité de sites favorables à la création d'un défaut, de définir et caractériser une nouvelle transition à température nulle.

La description actuelle des interactions fondamentales repose sur deux théories ayant le statut de modèle standard. Les interactions électromagnétiques et nucléaires sont décrites à un niveau quantique par le Modèle Standard de la physique des particules, alliant théories de jauge et brisures spontanées de symétrie par le mécanisme de Higgs. À l'opposé, l'interaction gravitationnelle est décrite par la relativité générale,basée sur une description dynamique de l'espace-temps dans un cadre classique.Bien que ces deux modèles soient vérifiés avec une grande précision dansle système solaire, ils sont affligés d’un certain nombre de problèmes théoriques et manquent de force prédictive aussi bien à l'échelle de Planck qu’à l'échelle cosmologique ;ils ne sont par conséquent plus perçus comme fondamentaux. La cosmologie, dont la phénoménologie fait apparaitre ces deux échelles extrêmes, apparaît alors comme un laboratoire privilégié pour tester les théories au delà de ces modèles standards.La première partie de cette thèse concerne l'étude des cordes cosmiques, défauts topologiques se formant lors de la brisure spontanée de théories de grande unification dans l'univers primordial.J’y montre notamment comment étudier ces défauts en prenant en compte la structure complète des théories de physique des particules dont ils sont issus, ce qui représente une avancée importante par rapport à la description courante en termes de modèles ”jouets”très simplifiés. La deuxième partie de cette thèse consiste en la construction et l'étude de différentes théories de gravité modifiée liées au modèle de Galiléon, un modèle tentant notamment d'expliquer la phénoménologie liée à l'énergie noire. / The current description of fundamental interactions is based on two theories with the status of standard models. The electromagnetic and nuclear interactions are described at a quantum level by the Standard Model of particle physics, using tools like gauge theories and spontaneous symmetry breaking by the Higgs mechanism. The gravitational interaction is described on the other hand by general relativity, based on a dynamical description of space-time at a classical level.Although these models are verified to high precision in the solar system experiments, they suffer from several theoretical weaknesses and a lack of predictive power at the Planck scale as well as at cosmological scales; they are thus not viewed anymore as fundamental theories. As its phenomenology involves both these extreme scales, cosmology is then a good laboratory to probe theories going beyond these standard models.The first part of this thesis focus on cosmic strings, topological defects forming during the spontaneous symmetry breaking of grand unified theories in the early universe. I show especially how to study these defects while taking into account the complete structure of the particles physics models leading to their formation, going beyond the standard descriptions in terms of simplified toy-models. The second part is devoted to the construction and the examination of different theories of modified gravity related to the Galileon model, a model which tries in particular to explain the dark energy phenomenology.

Les nanotubes de carbone mono-paroi (SWNT) sont souvent dilués dans un solvant afin de les purifier, les fonctionnaliser ou les transformer. Le contrôle de ces processus requiert une compréhension profonde de la rhéologie de leurs suspensions. Cependant, les bases physiques de leur comportement rhéologique ne sont pas absolument claires. Cette thèse a permis d'apporter des réponses au travers de la modélisation de la viscoélasticité linéaire des suspensions diluées de SWNTs en utilisant une approche par la Dynamique Brownienne (DB). Les SWNTs sont modélisés par des filaments semi-flexibles dont la configuration est naturellement courbée due à la présence de défauts structuraux. Le modèle continu de filament semi-flexible est discrétisé en un système multibarre en flexion non-libre ayant une configuration non-droite à l'équilibre. Une redéfinition du potentiel de flexion est effectuée afin de prendre en compte les cas des configurations non-rectilignes. Le comportement en viscoélasticité linéaire de leurs suspensions diluées a été modélisé par DB en mode dynamique et de relaxation. Des nouveaux processus de relaxation caractérisés par l'activation d'une élasticité à fréquences intermédiaires sont constatés en dynamique. D'autre part, une relaxation quasi-instantanée du module de relaxation est obtenue lors de l'application d'un échelon de cisaillement. Les spectres de relaxation de l'énergie de flexion sont en accord avec les réponses dynamiques, ce qui prouve la cohérence du modèle en viscoélasticité linéaire. Les différences non négligeables par rapport au comportement rhéologique des systèmes multibarre droits à l'équilibre démontrent que la flexibilité couplée avec la présence de défauts structuraux de courbure joue un rôle important dans la dynamique d'un SWNT en suspension.

L'objectif de ce travail est de comprendre comment s'auto-organisent les films minces de PS-b-PMMA présentant des nanodomaines cylindriques de PMMA orientés verticalement. Ces films sont ensuite utilisés pour organiser des nano-objets discrets de faibles dimensions (diamètre ~ 20 nm) et en forte densité (~1011/cm²).<br />Il est montré que la phase de cylindres verticaux se forme de façon indirecte pendant le recuit thermique à partir d'une phase homogène. Tout d'abord, il se forme une phase de cylindres désordonnés au sein du film sur laquelle la phase de cylindres verticaux s'établie par un mécanisme de nucléation-croissance, menant à la présence de défauts aux joints de grains. <br />L'élimination des défauts dans le réseau nécéssite une diffusion de ces derniers. Après avoir montré expérimentalement et théoriquement que les sites heptacoordinés adoptent une morphologie distordue en raison de la contrainte du réseau, nous proposons un mécanisme de diffusion des dislocations basé sur la division des nanodomaines distordus. Nous montrons que les films réalisés possédent un ordre hexatique selon la théorie KTHNY.<br /> Finalement, nous utilisons ces films en tant que masque pour réaliser, par gravure plasma, des nano-piliers en Si/SiGe ou bien des capacités MOS à nanocristaux de Pt

Dans ce mémoire, on étudie la désintégration d’un faux vide, c’est-à-dire un vide qui est un minimum relatif d’un potentiel scalaire par effet tunnel. Des défauts topologiques en 1+1 dimension, appelés kinks, apparaissent lorsque le potentiel possède un minimum qui brise spontanément une symétrie discrète. En 3+1 dimensions, ces kinks deviennent des murs de domaine. Ils apparaissent par exemple dans les matériaux magnétiques en matière condensée. Un modèle à deux champs scalaires couplés sera étudié ainsi que les solutions aux équations du mouvement qui en découlent. Ce faisant, on analysera comment l’existence et l’énergie des solutions statiques dépend des paramètres du modèle. Un balayage numérique de l’espace des paramètres révèle que les solutions stables se trouvent entre les zones de dissociation, des régions dans l’espace des paramètres où les solutions stables n’existent plus. Le comportement des solutions instables dans les zones de dissociation peut être très différent selon la zone de dissociation dans laquelle une solution se trouve. Le potentiel consiste, dans un premier temps, en un polynôme d’ordre six, auquel on y rajoute, dans un deuxième temps, un polynôme quartique multiplié par un terme de couplage, et est choisi tel que les extrémités du kink soient à des faux vides distincts. Le taux de désintégration a été estimé par une approximation semi-classique pour montrer l’impact des défauts topologiques sur la stabilité du faux vide. Le projet consiste à déterminer les conditions qui permettent aux kinks de catalyser la désintégration du faux vide. Il appert qu’on a trouvé une expression pour déterminer la densité critique de kinks et qu’on comprend ce qui se passe avec la plupart des termes. / In this thesis, we study the tunneling decay of the false vacuum, that is, a vacuum that is a relative minimum of a scalar potential. Topological defects in 1+1 dimension, called kinks, appear when the potential possesses a minimum that spontaneously breaks a discrete symmetry. In 3+1 dimensions, these kinks become domain walls. For instance, they appear in magnetic materials in condensed matter. A model with two coupled scalar fields will be studied, as well as the solutions to the equations of motion that arise from it. We will then analyze how the energy of the static solutions depend on the parameters of the model. A numerical survey of parameter space reveals that the stable solutions are located between dissociation zones, areas in parameter space where stable solutions no longer exist. The behavior of the unstable solutions in the dissociation zones can be very different depending on which dissociation zone a solution is found near the dissociation zone. The potential first consists in a sixth-order polynomial, to which is added a quartic polynomial multiplied by a coupling term, and is chosen such that the extremities of the kink are at distinct false vacua. The decay rate has been estimated by a semiclassical approximation to show the impact of topological defects on the stability of the false vacuum. The project consists in determining the conditions that allow the kinks to catalyze false vacuum decay. It appears that we found an expression for the critical kink density and that we understand what happens with most terms.