Nous avons déterminé par diffusion de rayons X le potentiel d’interaction entre deux bicouches, une première adsorbée sur un substrat solide et une deuxième flottant à proximité. Nous montrons que les interactions dans ces systèmes fortement hydratés sont deux ordres de grandeur plus faibles que dans les travaux précédents menés sur des phases multilamellaires. Cette caractéristique est attribuée à la répulsion électrostatique due à la faible fraction de lipides ionisés. Nous avons de plus accès aux potentiels de répulsion entropique, et testons les différents modèles théoriques existants.Les effets d’un champ électrique sur les membranes ont également été étudiés. Nous montrons que le champ induit une tension négative et une rigidité positive, et mène à la déstabilisation d’une bicouche supportée sous certaines conditions.Finalement, nous mesurons les propriétés de membranes chargées par diffusion de rayons X, nous permettant d’accéder aux limites de la théorie de Poisson-Boltzmann. / We have determined by grazing incidence X-ray scattering the interaction potential between two lipid bilayers, one adsorbed on a solid surface and the other floating close by. We find that interactions in this highly hydrated system are two orders of magnitude softer than in previously reported work on multilayer stacks. This is attributed to the weak electrostatic repulsion due to the small fraction of ionized lipids in defectless supported bilayers. We also access the entropic repulsion potentials, allowing us to discriminate between the different existing models.The effects of an electric field on the properties of membranes have also been studied. We show that the field induces a negative tension and an increase of the rigidity. We also show that it is possible to destabilize a supported bilayer by an electric field under certain conditions.Finally, we measure the properties of charged membranes using X-ray scattering, giving access to the limits of the Poisson-Boltzmann theory.

Les chocs non-collisionnels jouent un rôle majeur dans de nombreux événements astrophysiques à haute densité d'énergie (sursauts gamma, restes de supernovæ, vents de pulsar...), et seraient responsables de la génération de particules supra-thermiques et de radiations. Les simulations ont démontré qu'en l’absence de champs magnétiques externes, des instabilités électromagnétiques peuvent prendre place lors de la collision de plasmas à haute vitesse. Les instabilités du type Weibel sont en effet capables de faire croître, dans ces milieux, une turbulence électromagnétique potentiellement en mesure de défléchir et d'accélérer des particules par des processus du type Fermi. En plus d'une compréhension théorique toujours croissante, la génération expérimentale de tels chocs est maintenant étudiée à l'aide de lasers de puissance. Les fluctuations thermiques électromagnétiques constituent les germes des instabilités se développant dans un plasma. Nous nous sommes attelés à leur description dans le cas d’un plasma relativiste régi par une fonction de distribution de type Maxwell-Jüttner. Des formules exactes de la densité spectrale ont pu être obtenues pour différentes orientations du vecteur propre. Ces résultats ont pu être confrontés aux prédictions d’un code de simulation particle-in-cell (PIC). Un très bon accord a été démontré.Ces résultats ont été exploités lors d'une collaboration internationale dont le but était d'estimer le temps de saturation de l'instabilité cinétique de Weibel, générant des fluctuations magnétiques. Les estimations obtenues ont pu être validées par des simulations PIC sur trois ordres de grandeur d'énergie de dérive.Nous avons ensuite mené une étude théorique et numérique des collisions de plasma d'électrons-ions en régime non-collisionnel ayant lieu lors d'événements astrophysiques tels que les restes de supernovæ. Par-delà un intérêt académique pour la compréhension des processus de transfert/transport d’énergie au sein des plasmas, la récente génération de tels plasmas en laboratoire ouvre des perspectives inédites en astrophysique des hautes énergies. La zone de recouvrement de ces faisceaux de particules est sujette à des instabilités cinétiques du type Weibel, générant des champs magnétiques intenses.Nous avons modélisé l'évolution non-linéaire d'un système soumis à l'instabilité de Weibel, et obtenu des formules analytiques de l'évolution des paramètres plasmas (températures et vitesse de dérive) et des champs magnétiques. Le modèle prédit ainsi l’évolution du système jusqu’à un stade proche de l’isotropisation complète des populations de particules et donc jusqu'à la formation d’un choc non-collisionnel. Ce modèle, en accord avec des simulations du type « particle-in-cell », pu aussi être comparé à des résultats expérimentaux récents. L'étude de la propagation des chocs non-collisionnels, m'a permis de généraliser le précédent modèle au cas de la turbulence magnétique ayant lieu en amont du front de choc.Nous nous sommes consacrés enfin aux chocs non-collisionnels créés dans un plasma dense (opaque) irradié par un laser intense. L’interaction laser-plasma qui en résulte donne lieu à un important courant d'électrons relativistes qui sont à l’origine d’instabilités cinétiques (de filamentation notamment) susceptibles d'évoluer en choc non-collisionnel. Une observation originale, contrastant avec les premières publications sur le sujet est que pour les paramètres considérés (un laser d’éclairement ~1021 Wcm-2, interagissant avec une cible solide), le choc résulte de la turbulence magnétique produite par l’instabilité électronique, plutôt que par l’instabilité ionique (dont la croissance est plus tardive). En d’autres termes, compte tenu de l’énergie très élevée des électrons accélérés par le laser, la turbulence qu'ils génèrent s’avère assez forte pour rapidement défléchir les ions. / Collisionless shocks play a major role in powerful astrophysical objects (e.g., gamma-ray bursts, supernova remnants, pulsar winds, etc.), where they are thought to be responsible for non-thermal particle acceleration and radiation. Numerical simulations have shown that, in the absence of an external magnetic field, these self-organizing structures originate from electromagnetic instabilities triggered by high-velocity colliding flows. These Weibel-like instabilities are indeed capable of producing the magnetic turbulence required for both efficient scattering and Fermi-type acceleration. Along with rapid advances in their theoretical understanding, intense effort is now underway to generate collisionless shocks in the laboratory using energetic lasers. In a first part we study the (w,k)-resolved electromagnetic thermal spectrum sustained by a drifting relativistic plasma. In particular, we obtain analytical formulae for the fluctuation spectra, the latter serving as seeds for growing magnetic modes in counterstreaming plasmas. Distinguishing between subluminal and supraluminal thermal fluctuations, we derived analytical formulae of their respective spectral contributions. Comparisons with particle-in-cell (PIC) simulations are made, showing close agreement in the subluminal regime along with some discrepancy in the supraluminal regime. Our formulae are then used to estimate the saturation time of the Weibel instability of relativistic pair plasmas. Our predictions are shown to match 2-D particle-in-cell (PIC) simulations over a three-decade range in flow energyWe then develop a predictive kinetic model of the nonlinear phase of the Weibel instability induced by two counter-streaming, symmetric and non-relativistic ion beams. This self consistent, fully analytical model allows us to follow the evolution of the beams' properties up to a stage close to complete isotropization and thus to shock formation. Its predictions are supported by 2D and 3D particle-in-cell (PIC) simulations of the ion Weibel instability in uniform geometries, as well as shock-relevant non-uniform configurations. Moreover, they are found in correct agreement with a recent laser-driven plasma collision experiment. Along with this comparison, we pinpoint the important role of electron screening on the ion-Weibel dynamics, which may affect the results of simulations with artificially high electron mass. We subsequently address the shock propagation resulting from the magnetic Weibel turbulence generated in the upstream region. Generalizing the previous symmetric-beam model to the upstream region of the shock, the role of the magnetic turbulence in the shock-front has been analytically and self-consistently characterized. Comparison with simulations validates the model. The interaction of high-energy, ultra-high intensity lasers with dense plasmas is known to produce copious amounts of suprathermal particles. Their acceleration and subsequent transport trigger a variety of Weibel-like electromagnetic instabilities, acting as additional sources of slowing down and scattering. Their understanding is important for the many applications based upon the energy deposition and/or field generation of laser-driven particles. We investigate the ability of relativistic-intensity laser pulses to induce Weibel instability-mediated shocks in overdense plasma targets, as first proposed by Fiuza in 2012. By means of both linear theory and 2D PIC simulations, we demonstrated that in contrast to the standard astrophysical scenario previously addressed, the early-time magnetic fluctuations (Weibel instability) generated by the suprathermal electrons (and not ions) are strong enough to isotropize the target ions and, therefore, induce a collisionless electromagnetic shock.

Nous avons déterminé par diffusion de rayons X le potentiel d'interaction entre deux bicouches, une première adsorbée sur un substrat solide et une deuxième flottant à proximité. Nous montrons que les interactions dans ces systèmes fortement hydratés sont deux ordres de grandeur plus faibles que dans les travaux précédents menés sur des phases multilamellaires. Cette caractéristique est attribuée à la répulsion électrostatique due à la faible fraction de lipides ionisés. Nous avons de plus accès aux potentiels de répulsion entropique, et testons les différents modèles théoriques existants.Les effets d'un champ électrique sur les membranes ont également été étudiés. Nous montrons que le champ induit une tension négative et une rigidité positive, et mène à la déstabilisation d'une bicouche supportée sous certaines conditions.Finalement, nous mesurons les propriétés de membranes chargées par diffusion de rayons X, nous permettant d'accéder aux limites de la théorie de Poisson-Boltzmann.

La dynamique des fluctuations thermiques d'un milieu révèle les propriétés de ce milieu, sans qu'il soit nécessaire de le solliciter. Afin d'exploiter ce principe, nous avons mis au point une technique optique destinée à mesurer des fluctuations spontanées de hauteur de surfaces libres, basée sur la mesure de la déflexion d'un laser réfléchi à la surface. Nous montrons que l'on peut ainsi mesurer les fluctuations de surface de milieux très variés, allant des liquides peu visqueux aux solides viscoélastiques. Les propriétés viscoélastiques du milieu sondé peuvent être déterminées à partir du spectre expérimental des fluctuations. On compare les valeurs obtenues avec des mesures rhéométriques conventionnelles, la technique s'avère être un moyen fiable pour caractériser les propriétés rhéologiques dans une gamme de fréquences allant de 0,1 Hz à quelques dizaines de kHz. Par ailleurs, on s'intéresse à l'influence du confinement sur les fluctuations de surface d'un liquide newtonien. On étudie l'effet du confinement en utilisant des substrats de différentes natures : solide plan, solide en relief et liquide. On montre que les fluctuations de surface dépendent fortement du substrat utilisé. On étudie en particulier le cas où le film liquide est déposé sur une surface solide plane. En créant un effet Marangoni induit par un gradient de température à la surface libre du liquide, on parvient à contrôler l'épaisseur du film sondé. On mesure ainsi les fluctuations de surface de films dont l'épaisseur varie entre 30 nanomètres et quelques micromètres. Les spectres mesurés sont sensibles à la condition hydrodynamique à l'interface liquide-solide et permettent d'évaluer une éventuelle longueur de glissement.

Ce travail de thèse est surtout consacré à l'étude du ferromagnétisme dans les systèmes désordonnés, en particulier les semiconducteurs magnétiques dilués (DMS). Le formalisme utilisé, basé sur les fonctions de Green à température finie, est très général pour l'étude du magnétisme et du transport dans ces systèmes. Dans un premier temps, il est montré que l'approche champ moyen - RKKY (MF-RKKY) souvent utilisée n'est pas appropriée pour décrire les propriétés magnétiques des systèmes dilués. Un meilleur traitement du Hamiltonien de Heisenberg RKKY dans le cadre de la théorie RPA locale auto cohérente (SC-LRPA) a permis de montrer en particulier que l'approche MF-RKKY surestime largement les températures critiques ainsi que l'étendue de la zone de stabilité du ferromagnétisme. Dans un second temps on étudie le modèle non perturbatif « V-Jpd » par diagonalisation exacte pour chaque configuration de désordre et on calcule explicitement les échanges magnétiques. En dehors de la limite perturbative, ces échanges n'ont pas le caractère RKKY. Ensuite, le Hamiltonien de Heisenberg effectif est traité dans le cadre de la théorie SC-LRPA. Cette approche en 2 étapes montre en particulier (i) l'importance du désordre et des fluctuations thermiques et transverses et (ii) que le potentiel coulombien V joue un rôle crucial pour comprendre l'origine du ferromagnétisme dans les DMS. Ce modèle minimal tient compte de la percolation et des diffusions multiples des porteurs itinérants sur les impuretés et permet d'unifier la description des DMS. Enfin, une étude numérique des effets de taille finie et de l'importance de l'échantillonnage statistique a permis de montrer les insuffisances sévères du traitement Monté Carlo « complet » du modèle dilué « V-Jpd ». Ce modèle microscopique permet de combler le fossé entre les approches modèles trop simplistes et celles basées sur les calculs ab initio.

Ce travail porte sur l'étude théorique des interfaces entre deux fluides visqueux, soumis à un écoulement de Couette plan. Dans cette situation hors d'équilibre, les fluctuations thermiques de l'interface sont modifiées en raison du couplage par le cisaillement entre les effets visqueux et les effets de tension. Comme c'est le cas pour d'autres systèmes de matière molle (par exemple, les phases lamellaires), le cisaillement peut alors amplifier ou amortir les déformations interfaciales. On s'intéresse tout d'abord à la dynamique des fluctuations interfaciales. On montre que ces dernières vérifient une équation stochastique non-linéaire, dont la solution est contrôlée par un paramètre sans dimension qui contient toute l'information sur le système. La résolution à faible taux de cisaillement révèle que le déplacement quadratique moyen des fluctuations thermiques diminue avec l'écoulement, conformément aux observations expérimentales et numériques. Ensuite, on étudie l'influence des effets inertiels sur la stabilité de l'écoulement, dans le régime des fortes viscosités et des faibles tensions. Ce régime des grands nombres capillaires n'a été que très peu étudié, mais trouve sa pertinence par exemple dans les mélanges biphasiques de colloïdes et de polymères. Des critères de stabilité simples sont mis en évidence. Finalement, on réalise une étude numérique des propriétés des fluctuations interfaciales à grand cisaillement. Bien que les effets visqueux soient dominants, il en ressort une phénoménologie similaire à certains modèles de turbulence.

Les transitions de phase près d'un point critique - dites du second ordre - sont un sujet toujours d'actualité en raison des nombreux phénomènes critiques intéressants tels que la force de Casimir critique, les problèmes de confinements ou les phénomènes hors d'équilibre suivant une trempe au point critique. Cette thèse vise à étudier expérimentalement certains phénomènes engendrés près d'un point critique. La thèse est divisée en deux axes : le premier consiste à développer plusieurs systèmes expérimentaux qui permettront de mesurer essentiellement la viscosité, par l'intermédiaire des fluctuations thermiques à l'échelle micrométrique. Le deuxième axe consiste à trouver et caractériser des mélanges binaires présentant une transition de phase du second ordre dans lesquelles on souhaite faire des mesures. Les enjeux de ces systèmes expérimentaux sont d'avoir une régulation en température précise, une sonde de mesure sensible aux fluctuations thermiques et/ou à des forces de l'ordre du pN, et un échantillon fiable et reproductible présentant un point critique accessible expérimentalement. Nous avons ainsi monté à partir d'un microscope à force atomique (AFM) déjà présent au laboratoire, un système de mesure de viscosité à sonde AFM fibrée. Malgré sa faible efficacité en terme de sonde de mesure métrologique, nous avons pu décrire et développer un modèle de couplage de modes de vibration permettant de comprendre la mécanique de microleviers AFM fibrés. J'ai également développé au laboratoire la mesure de microscopie dynamique différentielle qui permet de faire des mesures à sondes multiples contrairement au premier montage. J'ai discuté de la précision de la mesure dans le cadre de notre objectif d'étude des fluctuations critiques. En ce qui concerne l'échantillon de mesure, nous avons étudié plusieurs mélanges binaires que nous avons caractérisés par des méthodes classiques de turbidité et diffusion statique de la lumière. Cette caractérisation nous a permis de connaître les mélanges binaires pour les utiliser dans un troisième système de mesure : billes micrométriques piégées dans des pinces optiques déjà monté au laboratoire. Nous y avons rajouté un système de régulation thermique fait maison pour être exploité avec les contraintes de la pince optique. Ces tests ont fait apparaître un phénomène inattendu d'oscillations de transition de phase induites par laser. Nous avons développé un modèle pour les décrire. Enfin, des expériences préliminaires - toujours avec les pinces optiques dans les mélanges binaires - nous ont permis d'observer qualitativement des effets de l'approche au point critique par des mesures de viscosité et d'interaction type force de Casimir critique. / Phase transitions near a critical point, or second order phase transitions, are still a recent object of studies because of the large amount of interesting critical phenomena as the critical Casimir force, confinements problems or out of equilibrium phenomena following a quench at the critical point. This thesis experimentally studies phenomena near a critical point. This manuscript is divided in two parts : the first one consists in building several experimental set-up which measure viscosity through thermal fluctuation at micrometric scale. The second part consists in finding and characterize binary mixtures which show a second order phase transition. Preliminary results have been done in these samples. One of the principal points of these experimental set-up are a well regulated temperature, a probe sensitive to thermal fluctuation and/or pN forces and a reproducible binary mixture which presents a critical point easy to reach experimentally. We mounted from an Atomic Force Microscope (AFM) already built in the laboratory, a hanging-fiber probe to measure viscosity of liquids. Despite its weak efficiency as a metrologic probe, we described and developed a mode coupling model which let us understand mechanics of hanging-fiber probes. I also developed in the lab the dynamic differential microscopy technique (DDM) which do measurements with several probes. I discussed about the measure precision with in mind the aim of studying critical fluctuations. For the choice of the sample, we studied several binary mixtures. We characterized them by classical methods as turbidity measurements and static light scattering. These characterizations let us learn about binary mixtures in order to use them in a third experimental set-up : beads trapped in an optical tweezers already built in the lab. We added to it a home-made thermal regulation which can be used with the constraints of optical tweezers. These tests showed an unexpected phenomenon of oscillating phase transition induce by laser. We developed a model to describe it. At last, preliminary experiments with optical tweezers in binary mixtures showed qualitative effects of an approach near a critical point on the viscosity and on interactions between beads as critical Casimir force.

A l’aide d’un interféromètre différentiel à quadrature de phase nous mesurons les fluctuations thermiques de la déflexion d’un micro-levier. Il est alors possible de déduire différentes propriétés mécaniques du levier telles que raideur, fréquences de résonance, facteurs de qualité etc. Dans un tel système, la précision maximale sur les mesures est limitée par le bruit de grenaille des photodiodes (shot-noise). Afin d’augmenter le rapport signal sur bruit, nous augmentons l’intensité lumineuse du laser de mesure, diminuant ainsi le bruit de fond des spectres de fluctuations thermique. En revanche, l’augmentation de l’intensité du laser a pour effet de décaler vers les basses fréquences les résonances du levier. Une première partie de ce travail de thèse a pour objectif la compréhension de ce phénomène. Ainsi, nous associons le décalage en fréquence à un échauffement du levier par le laser de l’interféromètre et au flux de chaleur associé le long du levier. Nous développons alors un modèle permettant de relier cet effet à la température de l’extrémité du levier en se basant sur un profil de température linéaire. Une seconde partie de ce travail vise à mesurer la température effective d’un levier à l’aide d’une extension du théorème fluctuation-dissipation. Nous montrons que les fluctuations de ce système hors équilibre sont plus faibles que celles attendues compte tenu du profil de température. Nous cherchons alors à identifier l’origine de ce déficit de fluctuations. Dans une dernière partie nous estimons les profils de température sur des leviers en faisant varier leurs paramètres géométriques ou leur coefficient d’absorption, ainsi que la position du laser chauffant le levier. / Thanks to a home made quadrature phase differential interferometer, we measure the thermal fluctuations ofa cantilever. It is then possible to infer various mechanical properties such as eigenfrequencies, stiffness,quality factor, etc. In such system, the maximal precision on the measure is limited by the shotnoise of thephotodiodes. To increase the signal-noise ratio we raise the light intensity of the laser, lowering thebackground noise. Doing so, the cantilever eigen frequencies shifts to lower values. A fisrt part of this thesiswork has for objective the understanding of this phenomenon. Thus, we associate this frequency shift with aheating of the cantilever by the laser. We develop a model linking this effect to the temperature at the freeend of the cantilever assuming a linear temperature profile.A second part of this thesis leads us to estimate the effective temperature of a cantilever using thefluctuation-dissipation theorem. We show that the fluctuations of our out of equilibrium system are lower thanthe fluctuations expected at equilibrium.In the last part, we estimate the temperature profiles on cantilevers by varying their geometry, absorptioncoefficient and laser position.

Ce travail porte sur l'étude théorique des interfaces entre deux fluides visqueux, soumis à un écoulement de Couette plan. Dans cette situation hors d'équilibre, les fluctuations thermiques de l'interface sont modifiées en raison du couplage par le cisaillement entre les effets visqueux et les effets de tension. Comme c'est le cas pour d'autres systèmes de matière molle (par exemple, les phases lamellaires), le cisaillement peut alors amplifier ou amortir les déformations interfaciales. On s'intéresse tout d'abord à la dynamique des fluctuations interfaciales. On montre que ces dernières vérifient une équation stochastique non-linéaire, dont la solution est contrôlée par un paramètre sans dimension qui contient toute l'information sur le système. La résolution à faible taux de cisaillement révèle que le déplacement quadratique moyen des fluctuations thermiques diminue avec l'écoulement, conformément aux observations expérimentales et numériques. Ensuite, on étudie l'influence des effets inertiels sur la stabilité de l'écoulement, dans le régime des fortes viscosités et des faibles tensions. Ce régime des grands nombres capillaires n'a été que très peu étudié, mais trouve sa pertinence par exemple dans les mélanges biphasiques de colloïdes et de polymères. Des critères de stabilité simples sont mis en évidence. Finalement, on réalise une étude numérique des propriétés des fluctuations interfaciales à grand cisaillement. Bien que les effets visqueux soient dominants, il en ressort une phénoménologie similaire à certains modèles de turbulence. / In this contribution, we investigate theoretically an interface between two newtonian fluids in a stationnary shear flow. The statistical properties of the interface are driven out of equilibrium due to the coupling by the shear flow between viscous and tension effects. The shear flow may either enhance or suppress interfacial deformations, as it is the case in others soft matter systems (for example, lamellar phases). The dynamics of thermal fluctuations is first considered. It is shown that fluctuation modes follow a stochastic nonlinear equation. The solution is then controlled by a single dimensionless parameter, that contains all the information of the system. The mean square displacement is obtained in the limit of small shear rates: it is found to be smoothed out by the flow, in qualitative agreement with experiments and simulations. Then, a stability analysis of the flow is achieved when inertial contibutions are taken into account. We focus on the regime of small surface tension and large viscosity. This regime has experienced a renewed interest in the last few years, in the context of phase-separated colloid-polymer mixtures. Simple criteria for the stability or instability of the flow are outveiled. Finally, a numerical study of fluctuation properties is performed in the limit of large shear rate. Although viscous effects are predominant, the results share some similarities with some turbulence models.

Cette thèse porte sur les membranes biologiques, étudiées du point de vue de la physique théorique. Nous nous intéressons aux effets génériques de la présence d'une ou deux inclusions membranaires, par exemple des protéines, et à ceux d'une modification chimique locale de l'environnement de la membrane.<br /> Tout d'abord, nous étudions une interaction entre deux inclusions membranaires, qui est analogue à la force de Casimir : elle provient des contraintes que les inclusions imposent aux fluctuations thermiques de la forme de la membrane. Nous calculons les fluctuations de cette force entre deux inclusions ponctuelles. Nous clarifions la définition de la force exercée par un fluide corrélé sur une inclusion, dans un micro-état du fluide. Cette définition joue un rôle clé dans l'étude de la force de Casimir au-delà de sa valeur moyenne à l'équilibre. Nous étudions également les interactions de Casimir entre des inclusions membranaires de forme allongée.<br /> Ensuite, nous nous intéressons à l'élasticité membranaire à l'échelle nanométrique, qui est mise en jeu dans les déformations locales de l'épaisseur de la membrane à proximité de certaines protéines. Nous soulignons l'importance d'un terme énergétique qui a été négligé jusqu'à présent.<br /> Enfin, nous présentons une description théorique, développée à partir de principes fondamentaux, de la dynamique d'une membrane soumise à une perturbation chimique locale de son environnement. Nous comparons nos prévisions théoriques à de nouveaux résultats expérimentaux portant sur la déformation dynamique d'une membrane biomimétique soumise à une augmentation locale de pH.