La turbulence est connue pour sa capacité à disperser efficacement de la matière, que ce soit des polluantes dans les océans ou du carburant dans les moteurs à combustion. Deux considérations essentielles s’imposent lorsqu’on considère de telles situations. Primo, l’écoulement sous-jacente pourrait avoir une influence non-négligeable sur le comportement des particules. Secundo, la concentration locale de la matière pourrait empêcher le transport ou l’augmenter. Pour répondre à ces deux problématiques distinctes, deux dispositifs expérimentaux ont été étudiés au cours de cette thèse. Un premier dispositif a été mis en place pour étudier l’écoulement de von Kàrmàn, qui consiste en une enceinte fermé avec de l’eau forcé par deux disques en contra-rotation. Cette écoulement est connu pour être très turbulent, inhomogène, et anisotrope. Deux caméras rapides ont facilité le suivi Lagrangien des particules isodenses avec l’eau et petites par rapport aux échelles de la turbulence. Ceci a permis une étude du bilan d’énergie cinétique turbulente qui est directement relié aux propriétés de transport. Des particules plus lourdes que l’eau ont aussi été étudiées et montrent le rôle de l’anisotropie de l’écoulement dans la dispersion des particules inertielles. Un deuxième dispositif, un écoulement de soufflerie ensemencé avec des gouttelettes d’eau micrométriques a permis une étude de l’effet de la concentration locale de l’eau sur la vitesse de chute des gouttelettes grâce à une montage préexistant. Un modèle basé sur des méthodes théorique d'écoulements multiphasiques a été élaboré enfin de prendre en compte les effets collectifs de ces particules sedimentant dans un écoulement turbulent. Les résultats théoriques et expérimentaux mettent en évidence le rôle de la polydispersité et du couplage entre les deux phases dans l’augmentation de la sédimentation des gouttelettes. / Turbulence is well known for its ability to efficiently disperse matter, whether it be atmospheric pollutants or gasoline in combustion motors. Two considerations are fundamental when considering such situations. First, the underlying flow may have a strong influence of the behavior of the dispersed particles. Second, the local concentration of particles may enhance or impede the transport properties of turbulence. This dissertation addresses these points separately through the experimental study of two different turbulent flows. The first experimental device used is the so-called von K\'arm\'an flow which consists of an enclosed vessel filled with water that is forced by two counter rotating disks creating a strongly inhomogeneous and anisotropic turbulence. Two high-speed cameras permitted the creation a trajectory data base particles that were both isodense and heavier than water but were smaller than the smallest turbulent scales. The trajectories of this data base permitted a study of the turbulent kinetic energy budget which was shown to directly related to the transport properties of the turbulent flow. The heavy particles illustrate the role of flow anisotropy in the dispersive dynamics of particles dominated by effects related to their inertia. The second flow studied was a wind tunnel seeded with micrometer sized water droplets which was used to study the effects of local concentration of the settling velocities of these particles. A model based on theoretical multi-phase methods was developed in order to take into account the role of collective effects on sedimentation in a turbulent flow. The theoretical results emphasize the role of coupling between the underlying flow and the dispersed phase.

Nous présentons une étude théorique des propriétés optiques d'un ensemble dense de dipôles résonants. Nous traitons deux cas particuliers: la diffusion de la lumière par des nuages d'atomes froids et l'électroluminescence par un film de boîtes quantiques colloïdales (BQCs) placées au voisinage d'une métasurface plasmonique. En faisant varier progressivement la densité atomique, nous avons montré que la diffusion de la lumière passe d'un comportement purement diffusif à un comportement mixte comportant à la fois de la diffraction par une particule effective homogène et de la diffusion. Il en ressort que les nuages d'atomes froids sont des systèmes intéressants pour étudier la diffusion de la lumière résonante. Nous avons montré que la lumière n'est plus due à la diffusion par des atomes individuels mais à l'effet de modes collectifs étendus dans tout l'objet. Ces modes microscopiques peuvent être identifiés à des modes des équations de Maxwell pour des objets ayant la même forme et un indice effectif. Nous avons étudié l'apparition du régime d'homogénéisation, c'est-à-dire de la suppression de la partie diffuse. De façon surprenante, un nuage atomique, dense au point d'avoir à résonance un indice comparable à celui d'un métal, continue à diffuser fortement la lumière. Finalement, nous avons étudié l'émission de lumière d'un film dense de BQCs. Nous introduisons un modèle de l'électroluminescence de BQCs placées près d'une métasurface plasmonique. / We present a theoretical study of the optical properties of a dense ensemble of resonant dipoles. We consider two particular cases: scattering of light by cold atomic clouds and electroluminescence by a thin film of colloidal quantum dots (cQDs) placed in the vicinity of a plasmonic metasurface. By numerically varying the atomic density, we have shown that light scattering by an atomic cloud gradually moves from a purely diffusive regime towards a partially diffractive and diffusive one. This property makes an atomic cloud an interesting system to study resonant light scattering. It has been found that light scattering is no longer due to single atom scattering but due to collective modes extended throughout the sample. These microscopic modes can be identified with the modes of Maxwell's equations for an object with the same shape and an effective refractive index. We have studied the onset of the homogenization regime, namely the suppression of diffuse light. Against all odds, an atomic cloud, with a refractive index at resonance that is comparable to that of a metal, never reaches the homogenization regime and thus continues to scatter light. Finally, we have also studied the electroluminescence of a dense film of cQDs. We propose a model for electroluminescence from cQDs located close to a plasmonic metasurface.

Dans la modélisation de la matière dense, et partiellement ionisée, une question importante concerne le traitement des électrons libres. Vis-à-vis des électrons liés, la nature délocalisée et non discrète de ces électrons est responsable d’une différence de traitement, qui est souvent effectuée dans les modélisations des propriétés radiatives des plasmas. Cependant, afin d’éviter les incohérences dans le calcul des spectres d’absorption, tous les électrons devraient, en principe, être décrits dans un même formalisme.Nous utilisons deux modèles variationnels d’atome-moyen : un modèle semi-classique, et un modèle quantique, qui permettent cette égalité de traitement pour tous les électrons. Nous calculons la section-efficace de photo-extinction, en appliquant le cadre de la théorie de la réponse linéaire dynamique à chacun de ces modèles d’atome dans un plasma. Pour cette étude, nous développons et utilisons une approche auto-cohérente, de type random-phase-approximation (RPA), qui, en allant au-delà de la réponse des électrons indépendants, permet d’évaluer les effets collectifs, par l’introduction de la polarisation dynamique. Cette approche s’inscrit dans le formalisme de la théorie de la fonctionnelle de la densité dépendant du temps (TDDFT), appliquée au cas d’un système atomique immergé dans un plasma.Pour les deux modèles, semi-classique et quantique, nous dérivons, et vérifions dans nos calculs, une nouvelle règle de somme, qui permet d’évaluer le dipôle atomique à partir d’un volume fini dans le plasma. Cette règle de somme s’avère être un outil de premier ordre pour le calcul des propriétés radiatives des atomes dans les plasmas denses. / In modeling dense and partially ionized matter, the treatment of the free electrons remains an important issue. Compared to bound electrons, the delocalized and non-discrete nature of these electrons is responsible to treat them differently, which is usually adopted in the modelings of radiative properties of plasmas. However, in order to avoid inconsistencies in the calculation of absorption spectra, all the electrons should be described in the same formalism.We use two variational average-atom models: a semi-classical and a quantum model, which allow this common treatment for all the electrons. We calculate the photo-extinction cross-section, by applying the framework of the linear dynamical response theory to each of these models of an atom in a plasma. For this study, we develop and use a self-consistent approach, of random-phase-approximation (RPA) type, which, while going beyond the independent electron response, permits to evaluate the collective effects by the introduction of the dynamical polarization. This approach uses the formalism of the time dependent density functional theory (TDDFT), applied in the case of an atomic system immersed in a plasma.For both models, semi-classical and quantum, we derive and verify in our calculations, a new sum rule, which allows the evaluation of the atomic dipole from a finite volume in the plasma. This sum rule turns out to be a crucial device in the calculation of radiative properties of atoms in dense plasmas.

La motilité cellulaire est fondamentale dans de nombreux processus physiologiques, qu’ils soient normaux ou pathologiques. Cependant, bien que ces derniers impliquent la plupart du temps de nombreuses cellules se mouvant en même temps, les effets des interactions entre cellules sur leur dynamique, à la fois individuelle et collective, restent assez mal connu. Dans cette thèse, j’ai utilisé Dictyostelium discoideum à l’état végétatif pour étudier cette régulation collective de la motilité. Je me suis principalement appuyé sur une analyse minutieuse de nombreuses trajectoires cellulaires dans des situations variées pour (i) caractériser un facteur sécrété qui régule négativement la motilité cellulaire (nature chimique, voie de signalisation, dynamique de sécrétion et de réponse) et (ii) analyser et modéliser quantitativement la dynamique d’étalement de colonie cellulaires de forme, dimension et densité contrôlées. Je décris enfin un phénomène d’agrégation dynamique observé lorsque les cellules sont placées à haute densité dans un milieu nutritif / Cell motility is fundamental in many physiological, either normal or pathological, phenomena. Yet, although these most often involve several cells moving at the same time, how the interactions between cells affect both individual and collective dynamics remains a poorly understood question. In this thesis, I used vegetative Dictyostelium discoideum cells as a model to study this collective regulation of the motility. I relied mainly on the thorough analysis of numerous cell trajectories in various situations to (i) characterise a secreted factor used to down-regulate the cells’ motility (biochemical nature, response pathway, secretion and response dynamics) and (ii) quantitatively analyse and model the dynamics of spreading cell colonies of controlled initial shape, size and density. Last, I describe a dynamic aggregation phenomenon that occurs when the cells are seeded at high density in a nutrient-rich medium

Ce travail experimental est consacre a l'etude de la multiplicite des electrons secondaires emis par des cibles minces de carbone bombardees par des protons, des atomes H0 et des ions moleculaires H2+ et H3+ d'energie variant de 0.25 a 2.2 MeV.<br /><br /> Le phenomene d'emission electronique secondaire par les surfaces des solides a l'impact de projectiles rapides resulte des interactions inelastiques des projectiles avec les electrons du solide. Une description phenomenologique te un rappel des differents modeles theoriques sont rassembles dans un premier chapitre.<br /><br /> Le second chapitre est consacre a la description du dispositif experimental utilise pour la mesure evenement par evenement du nombre d'electrons emis par les deux faces d'une cible mince de carbone lors du passage des projectiles incidents. Le traitement informatique des donnees experimentales, necessaire a la determination des distributions statistiques des electrons emis est egalement presente.<br /><br /> L'emission electronique induite par des atomes H0 a ete mesuree en correlation avec l'etat de charge des projectiles emergeant des cibles minces. Ces experiences, dont les resultats sont presentes dans le chapitre trois, nous ont permis de montrer le role particulier de l'electron d'un projectile selon qu'il reste ou non lie au projectile.<br /><br /> Le chapitre quatre est consacre a l'emission electronique induite par des ions polyatomiques H2+ et H3+. Les resultats sont intepretes en termes d'effets collectifs dans les interactions de tels ions avec les solides. le role de la proximite des protons, fragments des ions moleculaires, sur l'amplitude de ces effets collectifs est montre a partir des distributions statistiques des electrons secondaires emis par la face d'emergence des cibles.<br /><br /> Ces experiences ont permis de mettre en evidence des aspects particuliers des interactions d'atomes et d'ions polyatomiques avec les solides.

Ces travaux de thèse portent sur la conception, la réalisation et la caractérisation de dispositifs à base de puits quantiques semiconducteurs, fonctionnant dans les régimes de couplage fort et ultra-fort entre un mode de cavité et une excitation inter-sous-bande. Les états mixtes issus de ce couplage sont appelés polaritons inter-sous-bandes. Dans la première partie de la thèse, nous démontrons un dispositif électroluminescent dans lequel la branche polaritonique supérieure est peuplée à une énergie qui dépend de la tension appliquée au dispositif. De plus, nous mettons en évidence la relaxation des polaritons vers la branche inférieure par émission d'un phonon optique. Ce processus efficace permet d'atteindre un facteur d'occupation de la branche inférieure de l'ordre de 15%, et pourrait permettre d'obtenir de l'émission stimulée de polaritons. En augmentant la densité d'électrons dans le puits il est possible d'accéder au régime de couplage ultra-fort, caractérisé par une énergie de Rabi comparable avec celle de la transition inter-sous-bande. Pour cela la deuxième partie de la thèse est centrée sur l'étude de puits quantiques très dopés, avec plusieurs sous-bandes occupées. Plus particulièrement, nous réalisons une investigation théorique et expérimentale des interactions coulombiennes entre les plasmons inter-sous-bandes associés aux différentes transitions optiquement actives. Nous présentons un dispositif basé sur un puits quantique avec deux sous-bandes occupées, dans lequel une tension de grille contrôle la densité d'électrons dans le puits, ce qui modifie l'interaction entre les plasmons et donc la réponse optique. Pour des densités élevées, les forces d'oscillateur sont redistribuées en faveur de l'excitation de plus haute énergie. En vertu de ce phénomène, nous démontrons que la réponse optique d'un puits quantique ayant au moins trois sous-bandes occupées exhibe une unique résonance étroite, qui correspond à une excitation collective associant en phase toutes les transitions inter-sous-bandes. Cette excitation collective est observée en absorption et en électroluminescence. Lorsqu'on l'insère dans une microcavité, on atteint le régime de couplage ultra-fort avec une énergie de Rabi qui croît de façon monotone avec la densité d'électrons. Ce régime est démontré expérimentalement dans deux géométries de microcavité : planaire et zéro-dimensionnelle. Nos travaux montrent que l'interaction entre la lumière et la matière dans les puits quantiques dopés doit être pensée comme un processus purement collectif, régi par les phénomènes de cohérence induite par la charge.

Cette thèse porte sur le transport de fibres isolées et de suspensions de fibres dans des géométries microfluidiques. L'utilisation de fibres dans les fluides de forage et ciments pour réduire les pertes de circulation dans les puits de pétrole est à l'origine de cette collaboration entre Schlumberger et l'ESPCI-PMMH. Dans ce contexte industriel où les fibres en écoulement interagissent avec les roches frontières du puits et des fractures, il est nécessaire de comprendre le rôle de la géometrie des fibres, leurs propriétés mécaniques et leur concentration, ainsi que la géométrie d'écoulement. Nous avons créé un système microfluidique modèle qui intègre dans la même expérience la fabrication et la mise en écoulement de fibres, implémentant deux techniques différentes. Ce système nous permet d'étudier indépendamment l'effet de tous les paramètres d'écoulement. Nous proposons une méthode de mesure in situ des propriétés mécaniques des fibres. Nous étudions expérimentalement et numériquement le transport de fibres isolées dans un écoulement de Darcy, en fonction de l'orientation et du confinement de la fibre. Lorsque la largeur du canal microfluidique diminue, des interactions entre la fibre et les bords latéraux du canal apparaissent. Elles mènent à un mouvement oscillatoire et régulier de la fibre entre les bords dont nous étudions la dynamique. Nous nous intéressons enfin aux effets collectifs de fibres en suspensions qui s'écoulent à travers une restriction. Nous étudions en particulier le rôle joué par leur orientation sur le blocage des restrictions, et la formation de flocs en amont de celles-ci.

Ce document présente mon travail sur la dynamique transverse et longitudinale non linéaire d'un faisceau d'électrons dans ThomX, une nouvelle source de rayons X basée sur la rétrodiffusion Compton. Au cours de ce travail j'ai développé un code de simulation contenant les modèles théoriques pour calculer la dynamique non linéaire transverse et longitudinale sous l'influence de rétrodiffusion Compton. Les processus étudiés incluent les effets collectifs tels que la force de charge d'espace longitudinale, les effets de la résistivité des parois, le rayonnement synchrotron cohérent et la diffusion interne au faisceau. J'ai aussi simulé un algorithme de boucle de rétroaction longitudinale et étudié l'effet de la latence de la boucle dans les simulations pour comprendre son effet sur la dynamique du faisceau. Ce code permet d'effectuer une simulation complète en 6 dimensions de la dynamique d'un faisceau dans un anneau sous l'effet de rétrodiffusion Compton en prenant en compte la stabilisation par boucle de rétroaction pour les 400 000 tours (~ 20ms) d'un cycle d'injection. L'une des fonctionnalités importantes de ce code est qu'il peut être exécuté sur une ferme d'ordinateurs. En utilisant ce code j'ai étudié la dynamique des électrons dans ThomX et le flux de photons Compton diffusés. J'ai analysé la contribution relative de chaque phénomène physique à la dynamique globale du faisceau et comment minimiser leurs effets disruptifs. Dans le cadre de mon travail sur la boucle de rétroaction sur la phase longitudinale j'ai aussi mesuré et analysé les propriétés de la cavité RF ELETTRA à utiliser sur ThomX. / This thesis introduce my work on transverse and longitudinal non linear dynamics of an electron beam in ThomX, a novel X-ray source based on Compton backscattering. In this work I implemented in simulation code theoretical models to calculate transverse and longitudinal non linear dynamics under Compton back scattering. The processes studied include collective effect such as longitudinal space charge, resistive wall and coherent synchrotron radiation, intra beam scattering. I also implemented a longitudinal feedback algorithm and studied the effect of the feedback’s delay in the simulation to explore its effects on beam dynamics. This code allows to perform a full 6D simulation of the beam dynamics in a ring under Compton back scattering taking into account the feedback stabilisation for the 400 000 turns (~ 20 ms) of one injection cycle. One important feature is that this simulation code can be run on a computer farm. Using this code I investigated the electrons dynamics in ThomX and the flux of scattered Compton photons. I analysed the relative contribution of each physical phenomena to the overall beam dynamics and how to mitigate their disruptive effect. As part of my work on longitudinal phase feedback I also measured and analysed properties of the ELETTRA RF cavity to be used on ThomX.

Dans cette thèse, nous commençons par étudier un modèle hamiltonien à champ moyen, dont les propriétés statistiques d'équilibre sont exactement solubles, et permettent en outre de prédire le comportement asymptotique des réalisations temporelles du système. Nous nous intéressons aux propriétés de relaxation vers des états dits d'équilibre à partir de conditions initiales particulières, et étudions en détail l'impact du nombre de particules sur les échelles temporelles en jeu. La motivation principale réside dans le fait que le modèle considéré, bien que très simple, présente une phénoménologie rappelant celle de systèmes bien plus complexes, fournissant ainsi à moindre coût un formidable terrain d'expérimentations numériques et théoriques. Nous avons obtenu une série de résultats sur les temps de relaxation du modèle en fonction du nombre de particules, confirmant d'une part les observations numériques existantes, et proposant d'autre part une nouvelle méthode d'étude d'états hors d'équilibre, basée sur l'exploration de l'espace des phases par le système. Nous nous intéressons ensuite au problème de la diffusion de particules lourdes en tokamak, dans l'optique de comprendre comment des impuretés, en situation réelle, pourraient voyager des bords de l'enceinte de confinement vers l'axe magnétique de l'appareil pour y absorber l'énergie du plasma, rendant alors vaine toute tentative de fusion. Nous mettons à l'épreuve la théorie de diffusion stochastique dans le régime de dents de scie, en nous basant sur des simulations numériques de particules test, et montrons que la stochasticité des lignes de champ magnétique, de par la topologie du champ électrique résultant, est une condition nécessaire permettant la reproduction résultats expérimentaux.

Les interférences quantiques apparaissant lors de la superposition cohérente d'états quantiques de la matière sont à l'origine de la compréhension et du contrôle de nombreux processus élémentaires. Dans cette thèse, deux problèmes distincts, qui ont pour origine de tels effets, sont discutés avec leurs applications potentielles : 1. Diffraction électronique induite par Laser (LIED) et imagerie des orbitales moléculaires ; 2. Effets collectifs dans des vapeurs denses et transparence électromagnétique induite par interaction dipôle-dipôle (DIET). La première partie de cette thèse traite du mécanisme de recollision dans des molécules linéaires simples lorsque le système est exposé à un champ laser infrarouge de forte intensité. Cette interaction provoque une ionisation tunnel du système moléculaire, conduisant à la création d'un paquet d'ondes électronique dans le continuum. Ce paquet d'ondes suit une trajectoire oscillante, dirigée par le champ laser. Cela provoque une collision avec l'ion parent qui lui a donné naissance. Ce processus de diffraction peut être de nature inélastique, engendrant la génération d'harmoniques d'ordre élevé (HHG) ou l'ionisation double non-séquentielle, ou de nature élastique, processus que l'on appelle généralement « diffraction électronique induite par laser ». La LIED porte des informations sur la molécule et sur l'état initial à partir duquel les électrons sont arrachés sous forme de motifs de diffraction formés en raison de l'interférence entre différentes voies de diffraction. Dans ce projet, une méthode est développée pour l'imagerie des orbitales moléculaires, reposant sur des spectres de photo-électrons obtenus par LIED. Cette méthode est basée sur le fait que la fonction d'ondes du continuum conserve la mémoire de l'objet à partir duquel elle a été diffractée. Un modèle analytique basé sur l'approximation de champ fort (SFA) est développé pour des molécules simples linéaires et appliqué aux orbitales moléculaires HOMO et HOMO-1 du dioxyde de carbone. L'interprétation et l'extraction des informations orbitalaires imprimées dans les spectres de photo-électrons sont présentées en détail. Par ailleurs, nous estimons que ce type d'approche pourrait être étendu à l'imagerie de la dynamique électro-nucléaire de tels systèmes. La deuxième partie de cette thèse traite des effets collectifs dans des vapeurs atomiques ou moléculaires denses. L'action de la lumière sur ces gaz crée des dipôles induits qui oscillent et produisent des ondes électromagnétiques secondaires. Lorsque les particules constitutives du gaz sont assez proches, ces ondes secondaires peuvent coupler les dipôles induits entre-eux, et lorsque cette corrélation devient prépondérante la réponse du gaz devient une réponse collective. Ceci conduit à des effets spécifiques pour de tels systèmes, comme l'effet Dicke, la superradiance, et les décalages spectraux de Lorentz-Lorenz ou de Lamb. A cette liste d'effets collectifs, nous avons ajouté un effet de transparence induite dans l'échantillon. Cet effet collectif a été appelé « transparence électromagnétique induite par interaction dipôle-dipôle ». La nature collective de l'excitation du gaz dense réduit la vitesse de groupe de la lumière transmise à quelques dizaines de mètre par seconde, créant ainsi une lumière dite « lente ». Ces effets sont démontrés pour les transitions D1 du 85Rb et d'autres applications potentielles sont également discutées. / Quantum interference, coherent superposition of quantum states, are widely used for the understanding and engineering of the quantum world. In this thesis, two distinct problems that are rooted in quantum interference are discussed with their potential applications: 1. Laser induced electron diffraction (LIED) and molecular orbital imaging, 2. Collective effects in dense vapors and dipole induced electromagnetic transparency (DIET). The first part deals with the recollision mechanism in molecules when the system is exposed to high intensity infrared laser fields. The interaction with the intense field will tunnel ionize the system, creating an electron wave packet in the continuum. This wave packet follows an oscillatory trajectory driven by the laser field. This results in a collision with the parent ion from which the wave packet was formed. This scattering process can end up in different channels including either inelastic scattering resulting in high harmonic generation (HHG) and non-sequential double ionization, or elastic scattering often called laser induced electron diffraction. LIED carries information about the molecule and about the initial state from which the electron was born as diffraction patterns formed due to the interference between different diffraction pathways. In this project, a method is developed for imaging molecular orbitals relying on scattered photoelectron spectra obtained via LIED. It is based on the fact that the scattering wave function keeps the memory of the object from which it has been scattered. An analytical model based on the strong field approximation (SFA) is developed for linear molecules and applied to the HOMO and HOMO-1 molecular orbitals of carbon dioxide. Extraction of orbital information imprinted in the photoelectron spectra is presented in detail. It is anticipated that it could be extended to image the electro-nuclear dynamics of such systems. The second part of the thesis deals with collective effects in dense atomic or molecular vapors. The action of light on the vapor samples creates dipoles which oscillate and produce secondary electro-magnetic waves. When the constituent particles are close enough and exposed to a common exciting field, the induced dipoles can affect one another, setting up a correlation which forbids them from responding independently towards the external field. The result is a cooperative response leading to effects unique to such systems which include Dicke narrowing, superradiance, Lorentz-Lorenz and Lamb shifts. To this list of collective effects, one more candidate has been added, which is revealed during this study: an induced transparency in the sample. This transparency, induced by dipole-dipole interactions, is named “dipole-induced electromagnetic transparency”. The collective nature of the dense vapor excitation reduces the group velocity of the transmitted light to a few tens of meter per second resulting in 'slow' light. These effects are demonstrated for the D1 transitions of 85Rb and other potential applications are also discussed.