L'objectif de ce travail de thèse a été de mettre en place un dispositif expérimental permettant la mesure des propriétés élastiques sous conditions extrêmes par propagation d'onde ultrasonore dans la presse Paris Edimbourg. La modélisation numérique du volume expérimental par la méthode des éléments finis a conduit à une conception appropriée assurant une température homogène. Les mesures de vitesse ultrasonore effectuées sur la magnétite avec la cellule optimisée ont permis la détermination des modules élastiques et de la densité sous haute pression (6 GPa) et température (100°C). Pour la wüstite sont présentées des mesures ultrasonores sous pression (6 GPa) et température (200°C) du module de compression C11. Le comportement anormal en pression (12 GPa) des constantes élastiques C44 et C' de la wüstite mesuré par diffusion inélastique de neutrons est interprété comme un phénomène pré-transitionnel à la transition para-antiferromagnétique.

La thermoélectricité est un phénomène physique permettant la conversion directe de l’énergie thermique en énergie électrique, ou inversement. Cependant l’augmentation du rendement des modules thermoélectriques passe par un défi de taille : optimiser les propriétés électroniques du matériau pour obtenir un coefficient Seebeck élevé et une résistivité électrique faible, tout en minimisant la conductivité thermique. Une des voies d'optimisation consiste à réduire la dimensionnalité des matériaux afin de diminuer la contribution des phonons dans le transport thermique. Les matériaux siliciures sont prometteurs en raison de leur faible toxicité et coût. Parmi eux, le disiliciure de chrome, CrSi2, possède des propriétés de transport électronique intéressantes, mais ses performances sont limitées par une conductivité thermique trop élevée. L’objectif de cette thèse est d’étudier les propriétés thermoélectriques de ce composé sous différentes formes, monocristal, couche mince et nanofil. Dans ce but, le disiliciure de chrome a été élaboré sous formes de monocristal par la méthode Bridgman, de couche mince par pulvérisation cathodique, et de nanofil par dépôt chimique en phase vapeur. Ces différentes techniques d'élaboration ont été associées à des techniques de caractérisation spécifiques à chacune de ces formes afin d'étudier la relation entre les propriétés physiques et la microstructure du matériau. En couplant des modèles théoriques aux mesures thermoélectriques, les mécanismes de transport électronique et thermique ont été mis en évidence. L’étude de dynamique du réseau a été complétée par la première mesure de diffusion inélastique des neutrons sur monocristal et sur poudre nanométrique de CrSi2. Dans le cas des couches minces, l'effet de l'état de cristallinité et de l'épaisseur a été étudié. Enfin, dans le cas des nanofils, un microdispositif de mesure des propriétés thermoélectriques sur nanofil isolé a été conçu. L’ensemble des résultats présentés ouvre des perspectives intéressantes pour aborder l’amélioration des propriétés thermoélectriques de CrSi2. / Thermoelectricity is a physical effect related to the direct conversion between thermal and electrical energy. To improve the thermoelectric efficiency, the electronic properties of the materials must be optimized to get a large Seebeck coefficient and a low electrical resistivity while lowering the thermal conductivity. One of the optimization ways is to reduce the dimensionality of the materials to decrease the phonon contribution to the thermal conductivity. Silicides are promising materials because of their low toxicity and cost. Among them, chromium disilicide, CrSi2, shows interesting electronic transport properties, but a too high thermal conductivity, limiting its performance. The objective of this thesis is to study the thermoelectric properties of this compound with various forms, single crystal, thin film and nanowire.For this purpose, the chromium disilicide was elaborated in the forms of single crystal by the Bridgman method, thin film by sputtering, and nanowires by chemical vapor deposition. These elaboration routes have been associated with characterization techniques specific to each form in order to study the relationship between the physical properties and the microstructure of the material. By coupling theoretical models with thermoelectric measurements, the mechanisms of electronic and thermal transports have been determined. The vibrational study was completed by the first inelastic neutron scattering measurement on CrSi2 single crystal and nano-powder. In the case of thin films, the effect of the crystallinity state and the thickness has been studied. Finally, in the case of nanowires, a micro-device has been designed to measure the properties of a single nanowire. The presented results open interesting perspectives to improve the thermoelectric properties of CrSi2.

Cette thèse porte sur l'étude de la dynamique de spin dans CeCoIn5 et plus précisément sur l'étude de la "résonance de spin" dans ce composé. CeCoIn5 est le composé à fermions lourds à base de cérium ayant la température de supraconductivité la plus élevé ( Tc = 2.3 K) et présente une supraconductivité non-conventionnelle avec un gap de type d_{x^2-y^2}. Dans l'état supraconducteur, le spectre des excitations magnétiques est radicalement modifié avec l'apparition d'un excitation particulièrement intense appelé "Résonance de spin". Ce type d'excitations a déjà été découvert dans les supraconducteurs haute-températures, dans d'autres composés à fermions lourds et également dans les nouveaux supraconducteurs au Fer. Dans cette thèse, nous étudions l'évolution de la résonance de spin en présence d'un champ magnétique et avec l'introduction d'impuretés magnétiques et non-magnétiques. D'après notre étude, les impuretés vont influer sur la résonance de spin via le gap supraconducteur, en effet la présence d'impuretés diminue le gap supraconducteur et l'énergie de la résonance de spin va diminuer de manière proportionnelle. L'influence du champ magnétique est délicate à considérer mais nos recherches porteraient vers un splitting Zeeman de la résonance de spin en accord avec les modèles développés pour les cuprates.

L’étude des corrélations dans les fluides quantiques est abordée dans cette thèse par le biais de mesures neutroniques de leurs excitations élémentaires. Nos recherches sont motivées par les théories récentes qui permettent désormais de décrire ces excitations jusqu’à des vecteurs d’onde atomiques. Par ailleurs, les nouvelles performances du spectromètre temps de vol IN5 de l’ILL offrent la possibilité de réaliser des mesures précises dans une large gamme d’énergie et de vecteur d’onde. Dans le cas de l’4He, l’isotope bosonique, les mesures de diffusion inélastique ont été réalisées à très basse température, de la pression de vapeur saturante jusqu’à la solidification. Les relations de dispersion des excitations élémentaires correspondantes ont été obtenues avec une grande précision. A des énergies supérieures, nous avons observé dans le facteur de structure dynamique une réponse de multi-excitations très fortement structurée, caractérisée par des seuils correspondant à l’interaction entre les modes élémentaires. En particulier, nous avons observé un phonon “fantôme” associé à l’interaction phonon-phonon. Nos mesures dans l’4He superfluide confirment qualititativement les prédictions de la théorie dynamique à N-corps (2015) et même quantitativement jusqu’à une énergie de 2 meV. Les études effectuées dans le cas de l’3He ont été menées jusqu’à des températures bien inférieures à 100 mK dans une cellule spécialement conçue. Les mesures inélastiques sur cet isotope fermionique ont permis de déterminer avec une grande précision les modes collectifs, zéro-son et paramagnon, ainsi que la bande particule-trou. Couvrant une région encore jamais explorée, elles nous ont permis de confirmer la présence prévue par la théorie d’une excitation de type rotonique dans l’3He liquide massif. Ce mode reste ici confiné dans la bande particule-trou, contrairement au cas de l’3He bidimensionnel. L’ensemble de nos mesures apporte une vision complète du facteur de structure dynamique de ces systèmes modèles pour les bosons et les fermions en interaction, depuis le régime de quasi-particules de Landau et des multi-excitations, jusqu’à la limite des hautes énergies où la dynamique rejoint celle des particules indépendantes. / The effect of correlations in quantum fluids is investigated in the present work by inelastic neutron scattering measurements of their elementary excitations.Recent theories provide us with a detailed description of the dynamics up to atomic wave vectors. In addition, the recent improvement of the time-of-flight IN5 spectrometer at the ILL opens new experimental possibilities in terms of neutron flux and resolution, as well as accessible energy and wave vector ranges. In the case of 4He, the bosonic isotope, the neutron measurements have been performed at very low temperatures, from the saturated vapor pressure up to the melting curve. The dispersion relations of the corresponding elementary excitations have been accurately determined. At higher energies, we observe in the dynamic structure factor a highly structured multi-excitation response, characterized by sharp thresholds due to the coupling of elementary excitations. In particular, we observe a ghost phonon related to phonon-phonon coupling. Our measurements on superfluid 4He confirm the predictions of the dynamic many body theory (2015), the agreement being quantitative up to an energy of 2 meV. The investigations on normal liquid 3He were carried out at temperatures well below 100 mK in a cell specially designed for this purpose. Ourmeasurements on this fermionic isotope yield a high precision determination of the collective modes, zero-sound and paramagnon, as well as the particle-hole band. Since they also cover an unexplored region, we were able to confirm the theoretical prediction of a roton-like excitation in bulk liquid 3He. This mode remains within the particle-hole band, contrarily to the case of two-dimensional 3He. A broad vision of the dynamics of interacting Bose and Fermi systems, going from the Landau quasi-particles and multi-excitations regimes up to the high-energy limit, where the independent particle dynamics is recovered, emerges from our work.

Cette thèse porte sur l'étude de la dynamique de spin dans CeCoIn5 et plus précisément sur l'étude de la "résonance de spin" dans ce composé. CeCoIn5 est le composé à fermions lourds à base de cérium ayant la température de supraconductivité la plus élevé ( Tc = 2.3 K) et présente une supraconductivité non-conventionnelle avec un gap de type d_{x^2-y^2}. Dans l'état supraconducteur, le spectre des excitations magnétiques est radicalement modifié avec l'apparition d'un excitation particulièrement intense appelé "Résonance de spin". Ce type d'excitations a déjà été découvert dans les supraconducteurs haute-températures, dans d'autres composés à fermions lourds et également dans les nouveaux supraconducteurs au Fer. Dans cette thèse, nous étudions l'évolution de la résonance de spin en présence d'un champ magnétique et avec l'introduction d'impuretés magnétiques et non-magnétiques. D'après notre étude, les impuretés vont influer sur la résonance de spin via le gap supraconducteur, en effet la présence d'impuretés diminue le gap supraconducteur et l'énergie de la résonance de spin va diminuer de manière proportionnelle. L'influence du champ magnétique est délicate à considérer mais nos recherches porteraient vers un splitting Zeeman de la résonance de spin en accord avec les modèles développés pour les cuprates. / In this thesis, the spin dynamics of CeCoIn5 has been studied by inelastic neutron scattering. CeCoIn5 presents the highest critical temperature ( Tc = 2.3 K) among heavy fermion Ce-based compounds and shows an unconventionnal supraconductivity with a $d_{x^2-y^2}$-wave gap. The magnetic excitation spectra is radically changed in the supraconducting state with the apparition of an intense excitation named "Spin resonance". This kind of excitation has already been discovered in high-Tc superconductors and even in the new Iron-based superconductors. In this thesis, we focused on the evolution of the spin resonance with the application of a magnetic field and the introduction of magnetic and non-magnetic impurities. From our study, the main effect of impurities is to decrease the superconducting gap which leads to a proportionnal decrease of the resonance energy. The case of magnetic field is more difficult and our researchs suggest a Zeeman splitting of the spin resonance in agreements with the models developped for the cuprates.

Le fil de traîne de l'araignée est un matériau remarquable, un biopolymère aux exceptionnelles propriétés mécaniques. La soie d'araignée a été au centre d'une intense recherche utilisant une large gamme de techniques expérimentales et de modélisations théoriques. Néanmoins, ses propriétés macroscopiques n'ont pas encore été correctement reliées à sa structure et sa dynamique microscopiques.<br />Dans ce travail de thèse, les techniques de diffusion neutronique ont été pour la première fois utilisées pour l'étude de la soie d'araignée. La forte contribution de l'hydrogène en diffusion des neutrons ainsi que la différence des longueurs de diffusion de l'hydrogène et du deutérium ont permis de porter un regard nouveau sur les propriétés structurales et dynamiques des soies d'araignée. Ainsi les résultats appuient un modèle hiérarchique à trois phases de nanofibrilles composées de domaines cristallins et d'ordre à courte portée, contenues dans une matrice amorphe. Des expériences complémentaires de diffusion du rayonnement synchrotron suggèrent que l'eau absorbée par la matrice amorphe forme une glace amorphe à basses températures. Des expériences de diffraction de neutrons (abréviation anglaise : WANS) ont montré un pic méridional hors réseau -non observé par les expériences en rayons X (abréviation anglaise : WAXS)- attribué à une structure smectique de feuillets beta dans les domaines d'ordre à courte portée. L'échange de H2O contre D2O pour les expériences de diffusion de neutrons aux petits angles (abréviation anglaise : SANS) a permis d'observer la variation de contraste à l'intérieur des nanofibrilles et entre les nanofibrilles et la matrice. La mobilité moléculaire a été sondée par des techniques de diffusion inélastique et quasiélastique des neutrons. Il semble qu'une hiérarchie de phénomènes de relaxations décrive la soie hydratée, tandis que la soie native a un comportement vitreux à température ambiante.

Les réponses statiques et dynamiques associées aux phonons et aux phasons sont<br />comparées dans des quasicristaux de symétrie icosaédrique et dans leurs approximants 1/1<br />cubiques. Quasicristaux et approximants partagent un même ordre local caractérisé par des amas<br />atomiques icosaédriques de grande taille (diamètre ~ 1.6 nm). L'ordre à longue portée est<br />quasipériodique dans le quasicristal alors que périodique dans l'approximant. Les phasons sont de<br />nouveaux modes hydrodynamiques induits par la quasipériodicité. Les phonons existent dans le<br />quasicristal et dans l'approximant.<br />Nous avons mesuré la distribution de l'intensité diffuse autour des pics de Bragg dans la<br />phase approximante Zn-Sc et dans les phases quasicristallines i-Zn-X-Sc (X = Mg, Ag, Co). Dans<br />la phase Zn-Sc, la diffusion diffuse thermique due aux phonons est seule observée. Dans les phases<br />i-Zn-X-Sc, il y a un signal diffus supplémentaire dû aux phasons. Les constantes élastiques de<br />phason déterminées varient avec la nature de l'élément X.<br />La dynamique des phasons est étudiée en diffusion cohérente des rayons X dans la phase i-<br />Al-Pd-Mn. Les phasons sont activés au-dessus de 600°C. La dynamique est diffusive avec, à<br />650°C, des temps de relaxation de 100 s une longueur d'onde des modes de 90 nm.<br />La dynamique des phonons est mesurée dans les phases i-Zn-Mg-Sc et 1/1-Zn-Sc puis dans<br />les phases i-Cd-Yb et 1/1-Cd-Yb en diffusions inélastiques des neutrons et des rayons X. Les<br />facteurs de structure dynamiques sont similaires dans le quasicristal et son approximant ce qui<br />révèle l'importance de l'ordre local sur la réponse dynamique des modes de vibration dans ces<br />structures. Des différences sont néanmoins observées.

Le document décrit différentes techniques expérimentales et numérique de spectroscopie vibrationnelle. Plusieurs exemples sont présentés, dans lesquels la spectroscopie vibrationnelle a eu un apport dans la compréhension d'une transition de phase ou d'une dynamique spécifique : transfert de proton dans des cristaux moléculaires, anharmonicité de verres fragiles, solidification inverse d'une solution de beta-cyclodextrine/4-methyl pyridine, dynamique des protéines.

Dans le travail présenté ici, la diffusion inélastique des neutrons est utilisée pour étudier les excitations magnétiques des systèmes à fermions lourds Ce(1-x)La(x)Ru2Si2 et CeIn(3-x)Sn(x). Une première partie expérimentale est consacrée au système Ce(1-x)La(x)Ru2Si2. Les fluctuations magnétiques du composé de concentration critique xc = 7.5 % et du composé paramagnétique de concentration x = 0 % sont d'abord étudiées. On obtient i) que les fluctuations magnétiques de ces deux alliages saturent aux basses températures, et ii) qu'aux hautes températures la susceptibilité dynamique suit une loi d'échelle en E/T^b avec b < 1. Ces résultats ne rentrent pas dans le cadre des théories sur les transitions de phase quantiques : en effet, i) ces théories prévoient que les fluctuations divergent à la transition, et ii) seuls des exposants b > 1 peuvent être obtenus dans de tels modèles. Une étude des composés ordonnés de concentrations x > xc permet de conclure que les fluctuations corrélées antiferromagnétiquement sont les fluctuations critiques qui gouvernent la transition de phase quantique, bien qu'elles ne divergent pas à l'instabilité magnétique. La deuxième partie consiste en l'étude du système CeIn(3-x)Sn(x). Le spectre des excitations de CeIn3 illustre la dualité des systèmes à fermions lourds : le caractère localisé des électrons f se manifeste par des ondes de spin très bien définies alors que leur caractère itinérant se traduit par un fort élargissement de l'excitation de champ cristallin. Une étude du spectre des excitations d'une poudre du composé de concentration critique xc = 0.6 semble par ailleurs indiquer que les fluctuations magnétiques saturent aux basses températures.

Les alliages métalliques complexes sont des matériaux qui présentent un ordre à longue distance caractérisé par de grandes mailles comprenant plusieurs centaines d’atomes disposés en clusters. Une propriété caractéristique des CMAs est une conductivité thermique de réseau, dû aux phonons, très faible (~1.3 W/m.K), ce qui donne un intérêt pour leur utilisation comme thermoélectriques. Malgré de récentes avancées sur les connaissances de leurs structures, la nature des modes de vibrations des phonons dans ces réseaux restent une question ouverte : quel est le rôle des clusters ? Est-ce qu’il y a des modes critiques ? Pour répondre à cette problématique, mon projet de thèse a eu pour objectif de comprendre la nature des modes de vibrations à l’échelle atomique et la relation avec la conductivité thermique de réseau sur deux systèmes : la phase o-Al13Co4 qui est un approximant de la phase décagonale AlNiCo et le clathrate Ba8Ge40.3Au5.25, présentant des propriétés thermoélectriques. Mes investigations combinent des expériences de diffusion inélastiques des neutrons et des rayons-X et des simulations à l’échelle atomique.Une analyse détaillée des résultats expérimentaux obtenus par diffusion inélastique sur monocristaux pour les branches acoustiques a permis de mettre en évidence, pour la première fois, un temps de vie fini des phonons acoustiques lorsqu’ils interagissent avec les modes de basses énergies liés aux atomes dans les clusters. Pour les deux systèmes étudiés, nous observons que la branche acoustique n’est plus linéaire et le temps de vie des phonons acoustiques est réduit à quelques picosecondes. Ce faible temps de vie dépend peu de la température comme la conductivité thermique. Les simulations à l’échelle atomique, en utilisant des calculs DFT et des potentiels de pairs oscillants pour des simulations de dynamique moléculaire, ont permis de montrer que ce temps de vie est un effet anharmonique lié au désordre de structure. Les simulations confirment la faible dépendance en température de ce temps de vie. Dans o-Al13Co4, nous avons calculé la conductivité thermique avec la dynamique moléculaire et la méthode de Green-Kubo. Pour Ba8Ge40.3Au5.25 nous avons appliqué un modèle phénoménologique pour l’estimer en utilisant les résultats INS. En conclusion nous démontrons les effets de la complexité structurale sur la conductivité thermique en lien avec la dynamique de réseau. / Complex metallic alloys are long range ordered materials, characterized by large cells, comprising several hundreds of atoms and cluster building blocks. A key property of CMAs is the low lattice thermal conductivity (1.3 W/m. K), which suggests a potential application for CMAs for thermoelectricity. Despite recent advances structure determination, the nature of the phonons modes remains an open question: do the clusters playing a role? Are there critical modes? To tackle this problem, my PhD project aims to understand the vibrational modes at atomic scale and the relation to lattice thermal conductivity in o-Al13Co4 which is an approximant of the quasicrystal, decagonal phase AlNiCo and the clathrate Ba8Ge40.3Au5.25. In this worked we have used Inelastic Neutron and X-ray Scattering experiments and atomic scale simulations, based on density functional theory and empirical pair potentials.A detailed analysis of the results of inelastic scattering experiments on monocrystals for the acoustic branches have shown, for the first time, a finite lifetime for acoustic phonons when they interact with the low-lying dispersion-less excitations due to atoms in the cluster. In both systems, we observe that when an acoustic branch flattens near the zone boundary, the phonon lifetime is a few picoseconds. The phonon lifetime is approximately independent of temperature like the lattice thermal conductivity. Lattice and molecular dynamics simulations with DFT and empirical, oscillating pair potentials show that the finite phonon lifetime is an anharmonic effect, due to structural disorder, explaining the weak temperature of the phonon lifetime. For o-Al13Co4, we have calculated the thermal conductivity with the Green-Kubo method based on equilibrium MD simulations. For Ba8Ge40.3Au5.25 we have developed a phenomenological model based on individual phonon modes. In conclusion, we have demonstrated how structural complexity affects thermal conductivity through the lattice dynamics.